[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） lC4PKmno  
2lo:a{}j  
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
.`+yo0O:  
e[8UH=`|  
O"iak  
{Zl4C;c  
简述案例 =ajLa/m'  
`O n(v  
系统详情 =Epq%,4nG  
 光源 d'OGVN  
- 强象散VIS激光二极管 &`@lB (m  
 元件 QF&6?e06p0  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） N%u  
- 具有高斯振幅调制的光阑 N|<bVq%  
 探测器 $ 9=8@  
- 光线可视化（3D显示） L;lk.~V4T  
- 波前差探测 \Z'/+}^h  
- 场分布和相位计算 9(OAKUQ  
- 光束参数（M2值，发散角） \4QH/e  
 模拟/设计 }I'^./za
 
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 &F`L}#oL&  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 
P5P<"  
 分析和优化整形光束质量 `;/XK,m-  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Qt~B#R. V  
D )gD<  
系统说明 lRH0)5`  
 p[Hr39o  
{2EMz|&8  
模拟和设计结果 t)'dF*L  
x?=B\8m  
数值探测器结果 AIv<f9*.:  
}DHUTP2;yz  
Y;g% e3nu  
GMe0;StT  
^Et,TF\  
总结 +4HlRGH  
f~R[&q+  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 BUDGyl/=  
1.模拟 5{>>,pP&  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 }H2#H7!H  
2.评估 =hhvmo  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~QCA -Yud  
3.优化 xU:4Y0y8  
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。 ;AJ< LC  
4.分析 rei5{PC  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 9t0Cj/w}  
:$2Yg[Zc3  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 s-%J5_d f  
7*MU2gb  
详述案例 ZMJ3NN]F  
o X@nP?\  
系统参数 >j:|3atb  
UO1$UF! QC  
案例的内容和目标 ])=H
  
Pt(tRHB  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 yfC2^#9 Zu  
F+3!uWUK  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 \imp7}N  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 sS|<&3  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 )WmZP3$^TX  
=1IEpxh%  
模拟任务：反射光束整形设置 B*2{M  
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。 m#;.yR  
QY6O(=  
:l;,m}#@  
K.%z;(U  
qsTq*G  
JSRg?p\  
规格：像散激光光束 s&0*'^'O[S  
R}hlDJ/m-  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 d=F)y~&'  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 :v#8O~
  
[WYJrk.  
wR(ttwxK3  
<ZV7|'^  
~T7\8
K+ $  
/3s@6Ex}E  
规格：柱形抛物面反射镜 C[g&F0 6  
                         Xj(>.E{~H  
 有抛物面曲率的圆柱镜 
Lg b  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 QU,?}
w'?d  
 曲率半径等于焦距的两倍 pj+tjF6Np  
418gcg6)  
..aK sSm(  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） f@L\E>t  
sI$:V7/!  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 F=VoFmF@  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） @Ys
L*zw  
 离轴角决定了截切区域 yG4MUf6  
aC4m{F[  
规格：参数概述（12° x 46°光束） h;jsH!  
kr6:{\DU:B  
   N]*!8  
>H8^0n)?  
光束整形装置的光路图 IG>>j}  
+Z]y #=  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 gl Li  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 uz8nRS s  
wH#Lb@cfZ0  
反射光束整形系统的3D视图 rtoSCj:  
:3:)E  
W%w82@'  
%sYk0~E  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 S`fu+^cv  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 gr[D!D>  
-B",&yTV  
详述案例 {XyG1  
YK7
gd|LR]  
模拟和结果 &MBOAHhze  
9 4 "f  
结果：3D系统光线扫描分析 8}]l9"q(  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 A=y24m  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 'w:tq  
iFY]0@yt  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd MI?]8+l  
J*/$ywI  
使用参数耦合来设置系统 Ti /;|lP@  
jD$;q7fB  
V>DXV-%&C  
自由参数： /%c+ eL}l  
 反射镜1后y方向的光束半径 G;87in ,}  
 反射镜2后的光束半径 -(`K7T>D.  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） `W6:=H  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 QJb7U5:B+  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。  zgZi  
A632 :V  
,%& LG],6  
b6 J2*;XG  
O(b"F? w  
1v+JCOy  
`kI?Af*;v  
自由参数： )cfp(16  
 反射镜1后y方向的光束半径 |E>v~qD8I  
 反射镜2后的光束半径 ;F" kD  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ;))[P_$zB  
 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。 wR`w@5,d  
AycA:<  
~7FEY0/  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 5M/%
%Ox  

1_p[*h  
(Q*2dd>  
结果：使用GFT+进行光束整形 w-{#6/<kI5  
v]UU&Jq8U  
S}XB |  
!;BZ#tF&  
&z{dr~  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 8,Q.t7v  
6z%&A]6k:  
7M&.UzIY`  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 mH7CgI  
2`q^Q  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 >vNk kxWyQ  
_ d(Ks9  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： }kgjLaQ^N  
`Lb _J  
Gx~"iM  
soFvrl^Ql+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd S]#=ES'^/  
`SSP53R(0  
结果：评估光束参数 =]2RC1#}e  
\6nQ-S_  
"OlI-^y  
 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。 N`L' 4v)  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 N'Z_
6A*-  
XQ+-+CD  
*;ZW=%M  
 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。 j|VlHDqR  
 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） l72ie  
lL(}dbT~N  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ,i$(yx?  
/(WX!EEsB  
光束质量优化 s\3Z?zm8  
S{`!9Pii  
M25z<Y  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 %3@RZe  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 '6Z/-V4k  
)=SYJ-ta<  
结果：光束质量优化 eL]w' }\  
=":V WHf  
k*UR#z(I  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 w$<fSe7  
p1`'1`.3  
e
5:l6`  
KWZNu&)  
 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。） m%[
2x#  
#/ gme  
*|.y
X%"k  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd )MX1776kU  
j{Qbzczy,  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 7HR%rO?'  
szM=U$jKq  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 S92!jp/  
L}sm R,  
1PT_1[eAR  
 这意味着参数变化是的正态 BzG!Rg|J  
KI?1(L  
3!L<=X  
?U.&7yY  
kosJ]q'U  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ;H#R{uR_<  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 vng8{Mx90*  
AQBx k[  
l.W1$g  
%~v76;H<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run gCBZA;/  
/Z9`uK  
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） OmUw.VH  
/-<m(72wF  
x@bl]Z(ne/  
A"T. nqB^y  
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。 ]V]@Zna@g  
MsiC!j.-  
总结 2*
",{m  
%cjGeS6}  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )bN3-_  
1.模拟 *]UEF_  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 x`|tT%q@l  
2.研究 <?va) ou  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 !v;_@iW3e  
3.优化 Q9'p3"yoE  
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*xT>p^3  
4.分析 Y Z2VP  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ?Dp^dR  
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。 ?~y(--.t;T  
N)I T?  
参考文献 L"^366M!  
[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). W2LblZE!  
Q1&dB{L  
进一步阅读 L}S4Zz18  
5$G??="K  
进一步阅读 T|iF/p]F  
 获得入门视频 EF^=3  
- 介绍光路图 0*M}QXt  
- 介绍参数运行 }
c#/1J7  
 关于案例的文档 vgp%;-p(  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ZJ}LnPr  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens &``oZvuB  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Oqe.t;E 0}  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair X|B;>q
 
4g^+y.,r_f  
tNf" X!  
QQ：2987619807