[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） YO)')&  
5Xwk*@t2a  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 uDILjOT  
uyL72($  
 LsQs:O  
LkaG8#m1R  
简述案例 M'^(3#ZU  
;US83%*  
系统详情 ;xSRwSNDi(  
 光源 ]|,vCKju  
- 强象散VIS激光二极管 +``>,O6  
 元件 9n_ eCb)H  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） (tJ91SBl  
- 具有高斯振幅调制的光阑 "VV914*z  
 探测器 +jc
df}  
- 光线可视化（3D显示） ^[en3aQ  
- 波前差探测 NeY"6!;k  
- 场分布和相位计算 :OHSxb>[  
- 光束参数（M2值，发散角） ]a)IMIh;
 
 模拟/设计 F b1EMVu  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ,MRvuw0P  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： f](I.lm:  
 分析和优化整形光束质量 YjFWC!Qj$  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 *0O<bm  
E\w+kAAf  
系统说明 Fl<
(m  
<R>Q4&we(  
b<\$d4Qy  
模拟和设计结果 MM7"a?y)  

H]BAW*}  
数值探测器结果 hPcS, p{%  
0X.TF  
n9DbiL1{  
T4eWbNSs  
NP "ylMr7P  
总结 mIRAS"Q!m  
&uPDZ#C-  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 D{>\-]\  
1.模拟 NJ<N%hcjK  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 D
0  
2.评估 #aa1<-&H  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 $1~c_<DN  
3.优化 !Pw$48cg  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 goB;EWz  
4.分析 mzu<C)9d,
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 /0 _zXQyV  
ZlrhC= 0  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 0F1u W>D1  
b9y)wBC%`  
详述案例 J=@x
AVBc  
?;_H{/)m  
系统参数 *(icR  
-rO*7HO
 
案例的内容和目标 I :@|^PYw  
:Z[(A"dA  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 $5x]%1R  
>d97l&W  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 W]zw
ghxH  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 4j
^bpfb,  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 N2T&,&,t  
J]dW1boT@  
模拟任务：反射光束整形设置 /w0w*nH  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 BR3wX4i\  
5*Btb#:  
#v+;:  
C;ptir1G;  
S_$nCyaH2  
>%l:Dw\A:
 
规格：像散激光光束 {<!hlB  
nn'Af,ko/  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 /~tP7<7A  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ^;4YZwW5w  
|*ReqM|_C  
o<nS_x  
AC'lS >7s  
n_}aZB3;U  
!U
Vk9  
规格：柱形抛物面反射镜 1LX)4TCC  
                         WU7cF81$  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Td&d,;  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 kf'=%]9#_T  
 曲率半径等于焦距的两倍 bM^7g  
\f<z*!,D$  
`6}Yqh))  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） D?mDG|Z  
onib x^Fcd  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直
[83>T ,  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） - zQ<ZE  
 离轴角决定了截切区域 HD H  
;t!9]1  
规格：参数概述（12° x 46°光束） p(?g-
  
:]-$dEu&  
   .lr
5!Stb  
T0Q51Q  
光束整形装置的光路图 c;^A)_/  
7gr^z)${J  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 %4/xH9  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 [4: Yi{>  
]w-.|vx  
反射光束整形系统的3D视图 DN<M?u]  
x;(g  
3daC;;XO  
9DPb|+O-  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 TL'0T,Jo  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 }^ ,q#'  
O"iak  
详述案例 t#~XLCE  
G1[(F`t>  
模拟和结果 hkF^?AJ  
+q-c8z  
结果：3D系统光线扫描分析 sG1BNb_  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 d- kZt@DL=  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 t\%%d)d9  
[T]Bfo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 6]ZO'Nwo  
32^#RlSu8  
使用参数耦合来设置系统 shzG Eb  
ju.OW`GM  
~bGC/I;W>  
自由参数： )qd={  
 反射镜1后y方向的光束半径 5*1#jiq  
 反射镜2后的光束半径 7>&1nBh. f  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） tR;{.  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 &mdB\Y?^  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =x#&\ui  
IM]h*YV'  
dN0mYlu1|  
[4\aYB9N  
U{HML|  
n.ct]+L  
 Fs)  
自由参数： snq;:n!  
 反射镜1后y方向的光束半径 :q;R6-|.  
 反射镜2后的光束半径 Gk 6fO  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） [zx|eG<&-  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 xEC2@J  
[S)G$JW  
b!,j
a?  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。  J `x}{K  
f:XfAH3R{  
XmlIj8%9[&  
结果：使用GFT+进行光束整形 {#9,j]<  
;h9W\Se  
H0+:XF\M  
'e85s%ru  
D:)~%wu Lt  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 +(y>qd  
<r3Jf}%tT  
|(&oI(l5K  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 sJv`fjf%8  
o$t &MST?i  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 l1DI*0@  
? oc+ 1e  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： F^miq^K=  
Z)5klg$c  
?b"Vj+1:x  
b|6!EGh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd q}sK  
%Co b(C&}  
结果：评估光束参数 qw2)v*Fn  
|@ *3^'  
phmVkV2a;#  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 g&kH'fR8  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 F3 Y<ZbxT  
>Zo-wYG  
jr:drzr{I  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 *w|iu^G  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） RQ|?Ce",  
K.%z;(U  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd (rIXbekgB  
,6RQvw  
光束质量优化 0R*}QXph  
^Eu_NUFe  
]1tN|ODY*W  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 77tZp @>hn  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 RPY6Wh|4  
O/$ v69:  
结果：光束质量优化 \QiqcD9Y  
0f{IE@-b  
,[^o9u uB  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 Kn.iyR  

],AbcTX  
<ip)r;  
C`pan /t  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 418gcg6)  
v|>BDN@,6  
t:disL&!E  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd t9]r  
0OEtU5lf`y  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 F=VoFmF@  
ONNW.xHp  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ?o@E1:aA  
sv@}x[L  
pIL`WE1'  
 这意味着参数变化是的正态 S`4e@Z$  
u$\Tg3du2  
ypxC1E  
h|)2'07  
>|(WS.n3C  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 jD<9=B(g  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 27$\sG|g  
g*^wF?t'T  
f&f[La  
c'SM>7L  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run $*g{[&L|6  
RR8U Cv  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） K:C+/O  
N#mK7|\c?:  
;>sq_4_  
oA[2)BU  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 N%:D8\qx  
<x^IwS  
总结 dr}O+7_7%-  
5QNBB|X@  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 (Jm(}X]sh[  
1.模拟 3KbUHSx  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 +HYN$>  
2.研究 UqY J#&MqY  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 x`wZtv\  
3.优化 Q^\{Zg)p  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 dV'6m@C
 
4.分析 F@oT7NB/n  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 H;4oZ[g  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 34HFrMi  
3~#ZE;>#  
参考文献 `>$gy/N  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). ikeJDKSG  
+*WUH513  
进一步阅读 <#:Ebofsn  
@DRfNJ}  
进一步阅读 Z{Lmd`<w`j  
 获得入门视频 a>#d=.  
- 介绍光路图 -<u- +CbuT  
- 介绍参数运行 Q3'(f9 x  
 关于案例的文档 *)2x&~T*|  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens yOn H&Jj  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Djg1Qh  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing :5q^\xmmq  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 30wYc &H  
Z_ iQU1  
g6tWU  
QQ：2987619807