[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） &K,rNH'R  
Z9I ?j1K|!  
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 +,0 :L :a  
.t%`"C  
>56;M7b(K  
[iG4qI  
简述案例 4d @ (>  
EDGAaN*Q  
系统详情 uI&<H T?
 
 光源 b0Fr]oGp  
- 强象散VIS激光二极管 McQWZ<  
 元件 5sF?0P;ln  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 7|7sA'1cM  
- 具有高斯振幅调制的光阑 JI~@H /j  
 探测器 - z"D_5  
- 光线可视化（3D显示） sJcwN.s  
- 波前差探测 (L8z<id<z  
- 场分布和相位计算 [yfi:|n1  
- 光束参数（M2值，发散角） *}NJ  
 模拟/设计 ~]lVixr9  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 IWAp  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： x5nw/''[2  
 分析和优化整形光束质量 c9xc@G!  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析
92Df.xI}  
ef(OhIX  
系统说明 tv7A&Z)Rh  

9iQc\@eGd  
Ft$tL;  
模拟和设计结果 J@pCF@'  
K.2l)aRd  
数值探测器结果 
U6R~aRJ;  
b!-F!Lq/+0  
w 7 j hS  
zJa,kN|m  
IgU6
5p  
总结 x*z$4)RP  
d<^o@  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 G8voqP  
1.模拟 C
Ejf&n  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 /\1MG>#K  
2.评估 :%vD hMHa  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 q`DilZ]S  
3.优化 zkRL'-  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 :raYt5n1,y  
4.分析 Qh. : N  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ZSg["`  
_3?7iH  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 WAt| J2  
aI0}E O  
详述案例 XT 'v7  
]@MBE1M  
系统参数 Ss~dK-{e7  
VY=c_Gl  
案例的内容和目标 w-.=u3  
4chSo.= 4V  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 b!Z-HL6  
;/phZ$l  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Pq:GvM`  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 w\z6-qa  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ]B"YW_.x2  

4-:TQp(  
模拟任务：反射光束整形设置 4uG:*0{Yx  
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。 E1e#E3Yq}s  
Q
]
}aZ4L  
zT5@wm  
* -Kf  
|P"p/iY  
<U ?_-0  
规格：像散激光光束 Jj$N3UCg7  
ua]>0\D  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 b8@gv OB  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 c_xo6+:l  
kM,$0@  
P|OjtI  
AW+q#Is  
XfXqq[\N  
do:3aP'S,  
规格：柱形抛物面反射镜 L[Dr[  
                         Ox` +Z0)a  
 有抛物面曲率的圆柱镜 =A,6KY=E  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 jH
xg(]  
 曲率半径等于焦距的两倍 q! +?  
k-b0Eogp]  
|hprk-R*OH  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） \666{.a  
6_# >s1`R  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 : _>/Yd7-&  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Q( C\X  
 离轴角决定了截切区域 K)AJx"  
=2z9Aq{  
规格：参数概述（12° x 46°光束） :Sx!jx>W  
 De>'  
   OI9V'W$  
D4x~Vk%H  
光束整形装置的光路图 8yH*  
vElVw. P  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 =jX'FNv#  
 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。 .I@jt?6X  
fBptjt_  
反射光束整形系统的3D视图 75t\= 6#  
j zaC  
:n:Gr?  
(bIg6_U7\  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 "YUyM5X  
 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）。 z@nJ-*'U8  
y~JCSzpU  
详述案例 ^&'&Y>  
N|v3a>;*l  
模拟和结果 abq$OI  
p=Nord  
结果：3D系统光线扫描分析 S?W!bkfn  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 *;~*S4/P   
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 H*DWDJxmV  
s^X(G!V{c  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ic}M)S FD;  
|=7ouFl  
使用参数耦合来设置系统 tp='PG.6  
b5
hJaXJN  
8:%=@p>$  
自由参数： ZI q!ee  
 反射镜1后y方向的光束半径 g7*ii X  
 反射镜2后的光束半径 Fg3VD(D^U  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） >9o(84AxIH  
 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。 paUlp7x  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
'sCj\N  
;* vVucx  
LLn,pI2fL{  
nDh]: t=  
etX&o5A  
2 0Xqs,  
HSk gS  
自由参数： OC|9~B1  
 反射镜1后y方向的光束半径 }s_'
q~R  
 反射镜2后的光束半径 ]&za^%q0&  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） l[EnFbD6  
 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。 <MhjvHg  
JJHr<
|K  
U
!E   
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 TO.71
x|  
5:mS~  
FhZ^/= As  
结果：使用GFT+进行光束整形 6N}>@Y5  
~+1t3M e  
&TqY\l  
$EjM)  
~c~$2Xo  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 _pSCv:3T  
\#P>k;D  
d,fX3  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 3PB#m.N<  
bWN%dn$$M  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 WPBn?vb0<  
En:.U9?X  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： MP|J 0=H5  
W\s ]qsLS  
2IgTB|2  
RbUhLcG5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd box(FjrZE  
?*i qg[:  
结果：评估光束参数 vEJ2d&  
<}~`YU>=v  
FgILQ"+  
 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。 p`// *gl  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 *B7+rd  
/5^"n4/M  
/"A)}>a  
 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。 f\sxx!kt  
 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） GE`:bC
3  
nJJ9>#<g$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd l MCoc'ae  
+.N3kH  
光束质量优化 \%nFCK0  
R u^v!l`!7  
[AzQP!gi  
 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。 __p\`3(,'  
 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）。 tETT\y|'  
14TA( v]T  
结果：光束质量优化 N zY}-:{  
c}iVBN6~.<  
2Yd0:
$a  
 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。 % AqUVt9}  

w%=GdA=  
lv_|ws  
Vv=/{31  
 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。） #J.v[bOWQ  
M_tY:v  
cE}R7,y  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 2@``=0z  
RZm}%6##ZC  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 t^0^He$Ot  
> Y <in/  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 "(y",!U@  
>C"f'!oM,j  
Zh
qrN]x  
 这意味着参数变化是的正态 8'Dp3x^W>  
k0IW,z%  
%c%0pGn8-  
y2k'^zE  
V5y8VT=
I  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 3w
9j~s  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 'P{0K?{H-4  
}Z T{  
`IQ01FuP  
I`"8}d@Jm  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run /0Q=}:d  
YUo{e=m|  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） J(*qOG
BD  
rj[2XIO  
m1x7f%_  
sS5 ]d8  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 zx"'WM*  
74YMFI  
总结 1{N73]-M:  
h&eu}
aF  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Bw-<xwD  
1.模拟 \F]X!#&+  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 pKDP1S#<  
2.研究 _EeH  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 '>[l1<d!G  
3.优化 ( zQ)EHRD  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ~m^.&mv3/  
4.分析 Qs2E>C  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 s(*LV2fa  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 Rd6? ,  
1qWIku  
参考文献 &7* |rshZ  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). USz|Rh  
VU+
`yQp  
进一步阅读 Va^Y3/  
j-wSsjLk  
进一步阅读 RAMkTS  
 获得入门视频 nR)/
k,3W  
- 介绍光路图 Ed[ tmaEuV  
- 介绍参数运行 8A/;a{  
 关于案例的文档 <p"[jC2zF;  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens n1OxT"tD  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ;,T3C:S?  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 6<sd6SM  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair UM$\{$  
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QQ：2987619807