[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） &A/k{(.XP  
zWs("L(#s  
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 H$D),s gv  
kZb #k#  
>z #^JR\6  
'dXGd.V7u  
简述案例 sej$$m R  
+8xC%eE  
系统详情 pL [JGn  
 光源 j\hI, mc  
- 强象散VIS激光二极管 >O;V[H2[  
 元件 P/!W']OO  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） :P
'M|U  
- 具有高斯振幅调制的光阑 K*!qt(D&  
 探测器 `[)!4Jb  
- 光线可视化（3D显示） Lg%3M8-W~  
- 波前差探测 Q9G\T:^ury  
- 场分布和相位计算 4Tdp;n
\F  
- 光束参数（M2值，发散角） uM"_3je{W2  
 模拟/设计 C%RYQpY*c  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 l('@~-Zy  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： E|,RM;7  
 分析和优化整形光束质量 e 48N[p  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 mb\"qD5  
A<szY92&5  
系统说明 urbSprdF  
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S<6#zR  
{D$5M/$  
模拟和设计结果 %&iodo,EP'  
zG* >g  
数值探测器结果 ,J&\) yTP  

ieap  
<9dfbI)  
_ ?o>i/  
x DiGN Jc  
总结 A8X3|<n=  
vojXo|c  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 91#rP|88;  
1.模拟
6 h%,%  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ?E}9TQ  
2.评估 }'p"q)  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 -=WQed}  
3.优化 jO0"`|(]s  
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。 Y@y"bjK \  
4.分析 "wR1=&gk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 e>
2KW5.  
XW.k%H4@  
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。 a@S{A5j  
dKQu  
详述案例 3;JF5e\?x  
TE9Iyl|=  
系统参数 Ge`PVwn  
F};T
<#  
案例的内容和目标 >{)\GK0i7  
^o87qr0g]  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 d{Cg3v`Rd  
7J;\&q'  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 \iRmGvT  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ,4j^lgJ  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 =o:1Rc7J  
hTQ8y10a  
模拟任务：反射光束整形设置 fuU 3?SG  
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。 - -\eYVh[  
jf.WmiDC  
.lAPlJOO  
25j?0P"&  
6j Rewj  
if?X^j0  
规格：像散激光光束 ZPG~@lU  
-(},%!-_  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 t*J?#r  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Pm]lr|Q{I  
P(UY}oU  
Q?bCQZ{-Lh  
n/{ pQ&B  
?_B'#,tI  
mT/^F{c  
规格：柱形抛物面反射镜 R=3|(R+kA  
                         CXBFR>"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 YwS/O N  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 2Ab`i!#  
 曲率半径等于焦距的两倍 TBIr^n>Z<k  
DX^8w?t  
<=Saf.  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） #uV J  
`An p;el  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 CTe!jMZ=  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） -Q/wW4dE=  
 离轴角决定了截切区域 CkRilS<  
1(pv3  
规格：参数概述（12° x 46°光束） QnJLTB
v  
_F(Np\%_  
   C[';B)a  
9{}"tk5$h  
光束整形装置的光路图 F|G v  
)5`~WzA  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 [&
IcIZ  
 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。 LLFQ5py{  
oWx^_wQ-=  
反射光束整形系统的3D视图 jrxq558  
c_>AbF{  
LqXVi80  
~xv3R  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 )H`V\H[0P  
 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）。 U%
0|LQk5  
&grvlK  
详述案例 As5-@l`@  
89j:YfA=v  
模拟和结果 $=X>5B
 
@LFB}B  
结果：3D系统光线扫描分析 f~,Ml*Zp  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 /MMnW$)  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 D>^g2!b:  
YNl".c  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd (sI`FW_  
=.OzpV)=V  
使用参数耦合来设置系统 M]M>z>1*v  
7=NKbv]  
`m
I5Z*]-  
自由参数： s(ap~UCOw  
 反射镜1后y方向的光束半径 L7nG5i  
 反射镜2后的光束半径 7KGb2V<t  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ho)JY $#6  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 Q/]o'_[vW  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 'r(g5H1}gi  
W'=}2Y$]u  
6tjV^sjs  
WgG$ r  
FhPCFmmUT  
FA\U4l-
 
%!AzFL J|Z  
自由参数： KX3A|
  
 反射镜1后y方向的光束半径 MslgQmlM  
 反射镜2后的光束半径 4\nGWi{2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 9ZG:2ncdJ  
 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。 m>F:dI  
<`G-_VI  
^16zZ*
 
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ^fyue~9u  
RnU7|p{  

3TZ:  
结果：使用GFT+进行光束整形 k.jBu  
2`%a[t@M.  
WRA(k  
|:Maa6(W  
.)Pul|)d  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 =F Y2O`%a  
()w;~$J  
#D%6b  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Mu-kvgO`L  
{~j/sto-:  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ~)`\j  
|W$|og'wC  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： |Ldvfd  
`u7^r^>A  
}%jpqip  
U 8p %MFD  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd IbJl/N%o  
'-J<ib t  
结果：评估光束参数 _d!o,=}  
^c>Bh[  
nHH FHnFf  
 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。 #d*gWwnx"  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Y)$%-'=b+  
/3tErc'  
?Yf v^DQ5  
 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。 cDzb}W*UM  
 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） 3&5b!Y  
z*q+5p@~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd A>e-eD xi  
Rm79mh9  
光束质量优化 oyY z3X  
O^ui+44wp  
3 =c#LUA`  
 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。 W[a"&,okqO  
 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）。 YTmHht{j#  
pwS"BTZ  
结果：光束质量优化 K/*"U*9Kv  
nCp_RJu  
$pAVTz  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 HS ]c~  
`Mbs6AJ  
[hpkE lE  
6OAEAIh  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） FE^/us7r  
?daxb  
j}s/)}n|  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Yb_HvP  
,Wu$@jD/]  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 &Xh>w(u  
Z!^>!'Z  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 44B D2`nF  
0bc>yZ\R  
ov H'_'  
 这意味着参数变化是的正态 iWC}\&i  
)?{!7/H F@  
!L q'o?  
~o|sma5.  
3!/J!X3L  
 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。 oYA"8ei=  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 FE{c{G<  
Tp{jR<  
o#1Ta7Ro  
mAGD qz>f  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run <Opw"yY&q]  
~6Fh,S1?  
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） 3`{;E{  
4&%H;Q  
XOQ0(e6  
77sG;8HE  
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。 Y3FFi M[s~  
.d[^&<^  
总结 WQ.{Ag?1  
S{8-XiL,  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 &qSf ~7/  
1.模拟 mwsBj)  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 O-)[!8r  
2.研究 $IX(a4'  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 *{k
{  
3.优化 B[EOz\?
=m  
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。 %saP>]o  
4.分析 C9MK3vtD.  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Bhx.q,X  
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。 @4Bl&(3S  
0-{E% k  
参考文献 ]+a~/  
[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). ^z{X
d|{"  
&Z!y>k%6
 
进一步阅读 {dxl8~/I  
ni2 [K`  
进一步阅读 J(!=Dno  
 获得入门视频 Sw; kUJ  
- 介绍光路图 ):Z#!O<  
- 介绍参数运行 qrj f  
 关于案例的文档 @6+_0^  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens O/ItN5B ;  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens |.yS~XFJS  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing X[$|I9  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 6'e^np  
WjR2
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DCLu^:|C"  
QQ：2987619807