[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） QQ=tiW  
|w>b0aY  
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 o~xGE6A*"  
LH@Kn?R6  
]_L;AD  
 Cz&t*i/  
简述案例 F,mStw:  
HYJEz2RF  
系统详情  ,HNk<W  
 光源 {8;}y[R  
- 强象散VIS激光二极管 t="nmjQs  
 元件 c4Q%MRR  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） VhnIr#L+  
- 具有高斯振幅调制的光阑  Lo)T  
 探测器 f&Sovuuh
 
- 光线可视化（3D显示） 0d0ga^O  
- 波前差探测 $(yi+v  
- 场分布和相位计算 :8v? 6Q  
- 光束参数（M2值，发散角） #rz!d/)Q  
 模拟/设计 ?
jbx7')  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 \ZSqZDq  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： PVQn$-aq1  
 分析和优化整形光束质量 ':=20V  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 B'PS-Jr  
zSOZr2- ^a  
系统说明 SHnMqaq  
R_:lp\S&  
-2C^M> HZ  
模拟和设计结果 ?cK67|%W  
zCS }i_ p  
数值探测器结果 #,
"[sag  
T&<ee|t@{  
S[l z>I  
p~-)6)We?
 
*iSE)[W  
总结  T#Z#YMk  
"SC]G22  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Nk$|nn9#'  
1.模拟 W6u(+P]("  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 bc& 5*?  
2.评估 >v1.Gm  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 4dI`  
3.优化 zP$"6~.  
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。 ')WS :\J  
4.分析 D~2n8h"2ye  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 _Qb].~  
\MAv's4b@  
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。 4Le{|B  
9S5C{~P4  
详述案例 #zb67mg~  
[XP\WG>s  
系统参数 |uJjO>8]|  
k/Q8:qA  
案例的内容和目标 <yw=+hz[u  
H<*n5r(c  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 1CUI6@Cz)  
>5t]Zlb`  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 h~=~csya:  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 raR=k!3i  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 9G[t &r  
Yg;7TKy  
模拟任务：反射光束整形设置 uPb.uG  
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。 DeQZDY //  
Q_k'7Z\g$  
8
(!?y[  
Saks~m7,  
@|d`n\%x  
Ma ]*Pled  
规格：像散激光光束 :;&3"-  
U@}P]'`'f  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 {CgF{7`  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }%3i8e  
|tFg9RT  
"~08<+  
Ye/Y<Ij  
U@LIw6B!KL  
W;F=7[h  
规格：柱形抛物面反射镜 ;a(7
%  
                         `
pd+as  
 有抛物面曲率的圆柱镜 VexQ ]  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?oU5H  
 曲率半径等于焦距的两倍
8HWEObRY  
-[z1r)RZ  
o"qG'\x  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 07vzVsQ
}p  
K6nNrd}p:  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 h-%RSei5  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） tG0 &0`  
 离轴角决定了截切区域 <t,lq  
CmtDfE  
规格：参数概述（12° x 46°光束） R`%O=S*]  
M"ZeK4qh  
   EV R>R
 
 [4mIww%  
光束整形装置的光路图 YcM0A~<  
~mT([V  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 F^cu!-L  
 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。 fLuOxYQbf  
Htce<H-P  
反射光束整形系统的3D视图 [h0)V(1KR  
MVp+2@)}s  
IG4`f~k^  
xp]_>WGq  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 t'HrI-x  
 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）。 Ka8Bed3  
2
nI^fVR%\  
详述案例 j"vL$h  
gzp]hh@4  
模拟和结果 {fn1sGA  
PLK
;y  
结果：3D系统光线扫描分析 FivqyT7i  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ?b?YiK&yz  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Y-]Ne"+vf  
H|<Zm:.%$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Bv^5L>JZ/  
x#'v}(v  
使用参数耦合来设置系统 bDV/$@p  
f}Uf*Bp  
_[y<u})  
自由参数： wU&vkb)k  
 反射镜1后y方向的光束半径 1*OZu.NdK  
 反射镜2后的光束半径 {BD G;e  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） #$,b )Uy  
 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。 W>E|Iv[o  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 OJ<V<=MYZ  
4l_~-Peh  
'H'R6<z5  
Gg{M  
\C"hL(4-  
p

u[S  
~lr,}K,  
自由参数： +{s -Fg  
 反射镜1后y方向的光束半径 h:<?)g~U  
 反射镜2后的光束半径 eJ60@N\A  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） WI-I+0sE  
 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。 \mNN ) K@  
1"RC!  
:E2 ww`  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Z<[:v2  
"IRF^1 p  
{w<"jw&2  
结果：使用GFT+进行光束整形 /(DnMHn\  
]Tn""3#1g  
IkgRZ{Y  
6rN.)dL.#N  
9+I/bl4  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Si-Q'*Y=  
8]xYE19=  
__,F_9M  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ;AJ6I*O@+  
8l >Xbz  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 <4.j]BE  
p4z thdN[  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： iB5'mb*
 
Gw+pjSJL`  
r)[Xzn   
Er<!8;{?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !iU$-/,1e  
:rEZR`  
结果：评估光束参数 OF O,5  
y`8jz,&.  
'oF('uR  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 :dwP  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 %8?XOkH)  
f;obK~b[  
"$A5:1;  
 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。 O-qpB;|  
 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） .T#}3C/  
B9S@G{`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd N;i\.oY  
$ <Mf#.8%  
光束质量优化 }z-6,i)'k  
+3]V>Mv  
N@V:nCl  
 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。 b8|<O:]Hp  
 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）。 Xx ou1l!  
`pfRY!  
结果：光束质量优化 ^n*:zmD  
Dfy=$:Q  
W;|%)D)y
 
 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。 5.QY{+k  
K<MWiB&  
{pC$jd>T  
[I}xR(a@n  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 4++pK;I  
*s|'V+1  
bRK\Tua 6  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd -!IeP]n#P  
Dw<bLSaW&  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 u4ZOHy_O^  
{2U3   
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ~%@1-  
C0CJ;   
SZ~lCdWad  
 这意味着参数变化是的正态 ~#7uNH2  
^;wz+u4^l  
O"J"H2}S  
`@8O|j  
!1Nh`FN  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 rTim1<IXR  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 d2Ta&Md  
ywA7hm  
HJt '@t=Ak  
AYfL}X<Ig  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run jOm7:+H  
|qpFR)l  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） D/+l$aBz  
f( <O~D  
~bz$]o-<  
/q) H0b  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 W=Mdh}u_I  
?0+N  
总结 A0bR.*3  
{+V ]@sz  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 AOef1^S=  
1.模拟 +%Z:k  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 .9vt<<Kwh  
2.研究 15d'/f  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 kt+h\^g  
3.优化 S" (Nf+ux  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 hx ^l  
4.分析 _} K3}}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 K$O2 Fq@y  
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。 QwL*A `@  
v>_83P`  
参考文献 . Ctd$  
[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). 3AAciMq}  
t :~,7  
进一步阅读 MHJRBn{}  
@U9`V&])F[  
进一步阅读 =,8nfJ+x  
 获得入门视频 LMuDda  
- 介绍光路图 tl`x/  
- 介绍参数运行 r 5t{I2  
 关于案例的文档 -Ua&/Yd/}  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens )&l5I4CIf  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens [}l#cG6 k  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing z<gII~%  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair stiYC#bI:  
$LiBJ~vV<  
Wl}J=  
QQ：2987619807