[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） M\Uc;:) H  
IEIxjek  
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 PK.h E{R  
{L-{Y<fke  
M/8#&RycQ  
J-eA,9J  
简述案例 _-|yCo  
xVHQ[I%  
系统详情 h|c:!VN@  
 光源 (?*mh?  
- 强象散VIS激光二极管 26('V `N  
 元件 Sg_-
OX@f  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） VuO)  
- 具有高斯振幅调制的光阑 @ 2%.>0s.  
 探测器 Kd`l[56#  
- 光线可视化（3D显示） ;4S [ba1/  
- 波前差探测 EvH(Po h  
- 场分布和相位计算 o3TBRn,  
- 光束参数（M2值，发散角） |04}zU%N  
 模拟/设计 lk+=
26>  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 /\3XARt  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： BZ\EqB  
 分析和优化整形光束质量 *mK);@pL  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 5JU(@}Db  
9|G=KN)P:  
系统说明 Ivt)Eg  
T_oW)G  
-pU\"$nuxH  
模拟和设计结果 }'w^<:RSy  
V%
{9o  
数值探测器结果 +NzD/.gq  
of[|b{Ze4~  
eLt Cxe  
Tl/Dq(8JH  
.f.j >  
总结 R<0!?`b  
n_xQSVI0F  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 [r/Seg"  
1.模拟 V)?x*R*T)  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 HZr/0I?  
2.评估 i*cE  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 P`IMvOs&  
3.优化 t#D\*:Xi  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 QLpTz"H  
4.分析 ,rl <ye*&  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 u UVV>An  
a,0o{*(u$  
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。 ;ijfI  
["#A-S  
详述案例 q2j}64o_S  
ss*2TE7  
系统参数 6 peM4X  
4K?H-Jco  
案例的内容和目标 `bt)'ERO%#  
ae(]9VW  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 BI]ut|Qw  
GE3U0w6WbK  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 tgF(=a]o  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 OHtZ"^YG  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
9jzLXym  
~3-YxCn%  
模拟任务：反射光束整形设置 aab4c^Ms=  
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。 ofrlTw&o  
U-]PWt?C{  
/jL{JF>I  
5_tK3Q8?  
A@Yi{&D_Q]  
7rDR
u]  
规格：像散激光光束 v,.n/@s|X  
I\4`90uBN  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 W9:{pQG  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ThQEQ6y  
9q@YE_ji  
fvBC9^3  
uxJiec`&  
6pz:Lfd80  
q2U"k  
规格：柱形抛物面反射镜 KZ >"L  
                         0@/E%T1c"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 H2_>Av{m  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 )I UWM  
 曲率半径等于焦距的两倍 hG3$ ]i9  
E,?aBRxy  
czsoD)N  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） gl\{QcI8<  
z^HlDwsbm  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 !J?=nSu  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Qc<O; #  
 离轴角决定了截切区域 jxOVH+?l%  
?}Ptb&Vk(  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 3$G25=eN  
^EBM;&;7  
   6o23#JgN  
KZ/^gR\d  
光束整形装置的光路图 "7g8 d  
tZBE& :l  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 aTL7"Myp  
 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。 LUVJ218p  
9v3N
ba  
反射光束整形系统的3D视图 ~map5@Kd  
R/FV'qy]  
^p%+rB.j[  
,^[37
/S  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
mb6?$1j  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 K>JU/(  
DmA!+  
详述案例 x=|@AFI  
ZrT|~$*m`  
模拟和结果 xfQ;5n  
\D k^\-  
结果：3D系统光线扫描分析 Fm~}A4  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 mpJ_VS`  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Bq=](<>>  
6 FxndR;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd #Z5Wk  
_IGa8=~  
使用参数耦合来设置系统 t7%Bv+Uo  
j|8{Vyqd  
X"59`Yh  
自由参数： @!HMd{r  
 反射镜1后y方向的光束半径 \V\ET  
 反射镜2后的光束半径 %pKs- n`  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0`zq*OQ  
 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。 |L-juT X9  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 j'b4Sbs-f  
j0NPd^  
-mdPqVIJn:  
R.$Y1=U6  
e
%7P$.  
UsKn4Kh  

32'9Ch.  
自由参数： :WTvP$R  
 反射镜1后y方向的光束半径 Z'M@DY/fdK  
 反射镜2后的光束半径 a m%{M7":7  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） E1[%~Cpw*  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ".Z+bi2l  
K`2DhJC  
}i~j"m  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 r/:'}os;  
teALd~;  
2xm?,p`  
结果：使用GFT+进行光束整形 hzVO.Q*  
S8<aq P  
W]]2Uo.  
YH$`r6\S  
l'R`XGT  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 nXW1:  
*Y?]="8c#;  
lK@r?w|<M  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Kwau:_B  
:fUmMta  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 t":>O0>cz  
uf3 gVS_h=  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： +g30frg+Gl  
co-D,o4x  
 .l'QCW9  
J(L$pIM  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 2AE|N_v8W  
[a6lE"yr  
结果：评估光束参数 Fm{y.URo  
Lj\<qF~n  
pgi7 JQ  
 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。 }e
w?{  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 <VPtbM@(m  
;^]F~x}  
u^9,u/gj  
 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。 U:(
t9NX b  
 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） s#sXr  
W5 }zJ)x  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd m 9Q{)?J7  
%M:"Ai5:  
光束质量优化 )A"7l7?.n)  
2|EoP-K7  
%J'_c|EQM  
 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。 A&#Bf#!G  
 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）。 ]|(?i ,p  
Nrh`DyF0D!  
结果：光束质量优化 _l<"Qqt  
 7dIDKx  
dY^~^<{Lj  
 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。 a WC sLH  
z@}~2K  
2Ev,dWV  
P'';F}NwfX  
 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。） 6ZJQ '9f  
%0'f`P6  
(C|%@61S  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd >~:]+q  
c=CXj3  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 _9dV 3I  
]a()siT  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 7[PXZT
  
2 r)c?  
P7!Sc  
 这意味着参数变化是的正态 ~Hf,MLMdTf  
:yeTzIz]  
WJWrLu92\U  
IG\\RYr  
LGkKR{ep(  
 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。 }#1{GhsS  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 BN67o]*]<  
I&9B^fF6  
Gy5W;,$q  
'lF|F+8   
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 1Ppzch7  
JP]K\nQx'  
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） }HzZj;O^2>  
X,b}d#\  
6lGL.m'Ra  
0J"3RTt  
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。 9cQSS'`F  
d:aQlW;}  
总结 $}829<gh7  
@QofsWC  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 C%&7,F7  
1.模拟 J&?kezs  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 w@4+
&v>O  
2.研究 /:Dx
B00  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 /\.kH62  
3.优化 f{J7a1 `_  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 )8_0d)  
4.分析 ,DjZDw  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 {XAKf_Cg  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 b({2|R  
-p1arA  
参考文献 Jg:'gF]jt  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). t t=$:}A  
We`axkC  
进一步阅读 a;(:iMCi  
5"sF#Y&  
进一步阅读 `i}\k  
 获得入门视频 CfAqMH*ip  
- 介绍光路图 mnePm{  
- 介绍参数运行 W*)>Tr)o  
 关于案例的文档 l/]P6 @N  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens OCd[P1Y]  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 9/{g%40B^  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing psMagzr&)e  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair J]%P fWV  
5]{YERa'  
;rFa I^  
QQ：2987619807