[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 94u{k1d x  
Dqx#i-L23  
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 |*&l?S  
Z/#_Swv  
iC gZ3M]  
Z2%HQL2  
简述案例 Rh!UbEPjC  
2ym(fk.6{  
系统详情 rFRcK>X\L  
 光源 5)k8(kH  
- 强象散VIS激光二极管 Xwm3# o.&)  
 元件 e w^(3&  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） M
MM tB
6  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ToXWFX  
 探测器 f%Q{}fC{*  
- 光线可视化（3D显示） Xz+%Ym  
- 波前差探测 RLmOg{L  
- 场分布和相位计算 8+zW:0"[  
- 光束参数（M2值，发散角） b\k]Jx  
 模拟/设计 D*XrK0#Z`  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 :QE5 7.  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： oaY_
6  
 分析和优化整形光束质量 ~ZHjP_5Q  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 "g{q=[U}  
v, $r.g;  
系统说明 '0<d9OlJ}  
aAo|3KCs  
~wvt:E,fC  
模拟和设计结果 +HK4sA2;  
( ;FxKm<P@  
数值探测器结果 i]JTKL{\q  
m5\T,  
/x<g$!`X  
wu41Mz7  
w_9^YO!!  
总结 =~#mF<z5  
fqNh\~kja  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 z+"tAVB[i  
1.模拟 ?|nl93m  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 LU
1I `E  
2.评估 ,+=9Rp`md  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ,/;Aew;  
3.优化 s\*L5{kiSl  
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。 {15j'Qwm  
4.分析 !b8V&<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 o3J#hQrl  
({
f}Z-%  
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。 =u.@W98, K  
u?osX;'w  
详述案例 k(gbUlCc  
m4:c$5  
系统参数 GABZsdFZ!  
TOwd+]B  
案例的内容和目标 &i#$ia r  
|;ztK[(  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 TCr4-"`r-{  
T(J'p4  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 SSK}'LQ  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 d?,'$$aB  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 wQ_4_W  
c[dSO(=  
模拟任务：反射光束整形设置 :4ryi&Y  
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。 /K=OsMl2b8  
x/|W;8g4  
(q)}`1d'  
*"%TAe7?~+  
E^F"$Z"N  
Z 3BwbH  
规格：像散激光光束 <Ap_#  
f|[7LIdh-  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 bI):-2&s}  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 {u'szO}k  
,jU>V]YC  
qu=~\t1[6  
1w,_D.1'  
]so/AdT9hA  
%~rEJB@{  
规格：柱形抛物面反射镜 i7x&[b  
                         n,N->t$i  
 有抛物面曲率的圆柱镜 -y`Pm8  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 fSo8O  
 曲率半径等于焦距的两倍 #s)f3HU>  
ot0teNF  
>xWS>  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 5100fX}  
sh/,"b2!P  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 eG=d)`.JaV  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） .N(R~_  
 离轴角决定了截切区域 L&\W+k  
($di]lbsT  
规格：参数概述（12° x 46°光束）
+a,SP   
pPReo)  
   b 74!Zw  
I?T !  
光束整形装置的光路图 Gp9 <LB\,  
WQ|Ufl;  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 >a;a8EA<O  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 YPK@BmAdE  
5'!fi]Z  
反射光束整形系统的3D视图 O,$*`RZpx  
1[P}D~ nQ  
YwVA].p@TI  
\f,<\mJ#  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 7qC /a c  
 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）。 snbXAx1L  
e$LC  
详述案例 -Jv,#Z3  
.Xlo-gHk  
模拟和结果 KOixFn1  
5Tn<  
结果：3D系统光线扫描分析 uQ=u@qtp  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 #X(2  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 g[cnaS|?  
Z%~}*F}7X  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |W@ ~mrO  
Zpd-ob  
使用参数耦合来设置系统 fh#:j[R
4e  
8vx ca]DcV  
P@y)K!{Nk  
自由参数： | BaEv\$K  
 反射镜1后y方向的光束半径 {$S"Sj  
 反射镜2后的光束半径 r] /Ej!|  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） CvIuH=,  
 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。 B:>:$LIL  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 >s<Bu'r  
/qdvzv%T  
R0t!y3r&N  
2j f!o  
fR1LVLU  
9>{fsy  
'IU3Xu[-.  
自由参数： 4KH'S'eR  
 反射镜1后y方向的光束半径 7-3  
 反射镜2后的光束半径 RFM;?!S  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） gj|5"'g%  
 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。 $YJ 1
P  
?0)K[Kd'Y  
gY+d[3N  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 >p&"X 2 @  
Sr+hB>{  
HOi~eX1d  
结果：使用GFT+进行光束整形 x
@X2r  
5,xPB5pK  
Up Z 9g"  
4EYD5  
z/#,L!Z3  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Aa-5k3:x]=  
BMq> Cj+  
u.E>d9  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 A":=-$)  
8B ,S_0!  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 IAA_Ft  
j6s j2D  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： #ChTel  
IFW(nB(  
X$<pt,}%  
PY|zN|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ll}_EUF|  
*vQ 6LF;y  
结果：评估光束参数 +
:Xg7H*  
O:v#M]   
J"#6m&R_q  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 '*[7O2\%/  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 h~QQ-  
e!=7VEB  
8K^#$,.."  
 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。 >07i"a  
 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） -
Tvnd,  
em7L`,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd j7d^ga-`  
M*'8$|Z  
光束质量优化 J+CGhk  
'h ?  
,&Zp^  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 6r^ZMW  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 krGIE}5  
T6SYXQd>.  
结果：光束质量优化 (4z_2a(Dl,  
BgN^].z&  
J_a2DM6d  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 ZK?V{X{";  
 irh Z  
F
.(W`H*1+  
}2Ge??!  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） -7oIphJ=\  
3hkEjR  
EqHToD I3  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Mmgm6{  
uJ|,-"~F  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 '"q+[zwv  
^69(V LK  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Tb^1#O  
pVl7]_=m  
F)=<|,b1  
 这意味着参数变化是的正态 8/B8yY-O  
EAh|$~X  
 )%9:k9  
Tq^B>{S"  
vh|m[p  
 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。 j
n]l!nm  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 )-XD= ]  
2/ )~$0  
@Nm{H  
j0F& WKk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run J;V#a=I  
K7$Q.  
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） ld%#.~Q  
a@_n>$LZL  
/2r&ga&  
e\#aQ1?"  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 Q(WfWifu-|  
7lOAu]Zx  
总结 ~hP]<$v  
)+)qFGVz  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #cikpHLXG  
1.模拟 lh\`9F:  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 "SKv'*\b  
2.研究
17:7w  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ee<'j~{A  
3.优化 O|v8.3[cT  
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。 t|&hXh{  
4.分析 # b3 14  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 svCm}`  
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。 rXrIGg
eM  
}PMlG  
参考文献 fTy{`}>  
[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). j<?k$8H  
W9GjUswv!  
进一步阅读 9y\Ik/  
25vq#sS]  
进一步阅读 `y"a>gHC  
 获得入门视频 =m;cy0))  
- 介绍光路图 !(_qM  
- 介绍参数运行 W Emh  
 关于案例的文档 eH;{Ln  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 5uM`4xkj  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens DI :  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u\K`TWb%  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair +D h?MQt?  
BgsU:eKe  
sEa|2$  
QQ：2987619807