[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） {iD/0q  
nrl?<4_  
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>-L\`O  
[b++bCH3  
yYCS-rF>  
,!:c6F+  
简述案例 C]L)nCOBX  
X7*F~LFrj  
系统详情 ;+hh|NiQ  
 光源 P6gkbtg  
- 强象散VIS激光二极管 WcN4ff-  
 元件 ,->ihxf  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） |bnd92fvks  
- 具有高斯振幅调制的光阑 )d3 09O  
 探测器 :5k* kx#y  
- 光线可视化（3D显示） J6Ilg@}\  
- 波前差探测 'm`O34h  
- 场分布和相位计算 HWjJ.;k}a  
- 光束参数（M2值，发散角） lJK]S=cd  
 模拟/设计 lx`?n<-X  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 K"!rj.Da  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： aq?bI:>8  
 分析和优化整形光束质量 AwJg/VBo)  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 6N@=*0kh-  
b^W&-Hh  
系统说明 b<u\THy#  
gfL:SP8  
k\OZ'dS  
模拟和设计结果 JU8}TX  
$JFjR@j  
数值探测器结果 Q
7+WV`&  
7?fgcb3  
wkt4vE87  
nDrRK  
8{4'G$6  
总结 RRO@r}A!y  
>{^_]phlb  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 cj>@Jx}]M  
1.模拟 Sm/8VSY  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 X_PzK'#m  
2.评估 |r@;ulO  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 x.1=QF{!  
3.优化 d!I%AlV  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 WyV4p  
4.分析 r6S  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 nDkG}JkB!  
YdI6|o@vc  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 +:Zwo+\kSN  
@5Z|e  
详述案例 s.z)l$  
%jAc8~vW?  
系统参数 _kD5pC =  
Gb^63.}  
案例的内容和目标 dOD(<  
as:=
QMV  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 {tVA(&\<  
X0*+]tRg  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 sD3Ts;k  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ` k] TOc  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 VmQ^F| {  
T#&1q]P1F  
模拟任务：反射光束整形设置 {r&r^!K;  
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。 " lD -*e4  
Pr>$m{ Z  
R655@|RT  
Qe~C}j%  
51}C`j|V3{  
-dMH>e0  
规格：像散激光光束 wW TuEM  
@#wG)TA  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 _3 !s{  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 42`Uq[5Y  
B)k/]vz)*D  
/:!sn-(  
]`-o\,lq  
|f}wOkl  
#8d#Jw  
规格：柱形抛物面反射镜 bP:u`!p -i  
                         ?~ybFrc  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Q*1Avy6]  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 n_sV>$f-u  
 曲率半径等于焦距的两倍 ,>6mc=p  
65B&>`H~  
n(A;:)W{  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） V xN!Ki=  
zRh)q,Dt  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ca &zYXy  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Jn(|.eT|  
 离轴角决定了截切区域 ; <- f  
P'}E
Z'  
规格：参数概述（12° x 46°光束） :|l0x a  
dsEvpa$
?  
   <a CzB7x  
*h?*RUQ  
光束整形装置的光路图 |$8N*7UD  
=j_4!^  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 0>Kgz!I  
 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。 6/a%%1c1  
`34+~;;Jh  
反射光束整形系统的3D视图 B"7~[,he  
5G<`c  
iR4"I7J  
y]Q/(O  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Kd}%%L  
 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）。 M7DoAS{6e  
b#(QZ  
详述案例 /0L]Pf;  
^(*eoe  
模拟和结果 ~LH).\V  
m=`V  
结果：3D系统光线扫描分析 'fb&3  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。
$9@Z\0   
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 IFSIQ q  
gd)VL}
k  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd CS^|="Zs  
=+e;BYD#!  
使用参数耦合来设置系统 |$T?P*pI.  
&WbHM)_n  
FN0<
iL  
自由参数： ,|O|gh$s  
 反射镜1后y方向的光束半径 iA2TvP#  
 反射镜2后的光束半径 7n#Mh-vq  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +
+kVq$9@y  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 \a:-xwUu<  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 uN&49o  
7r3EMX\#Qm  
yX\~{%  
1 RyvPP  
Kn+
B):OY+  
3k+46Wp  
gA+@p'XnR  
自由参数： l%cE o`U  
 反射镜1后y方向的光束半径 
w="  
 反射镜2后的光束半径 ^O5PcV3Eg  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） uoY]@.  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 {Cw>T-`  
XQ k,xQ  
F-?s8RD  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 CJLfpvV  
_'r&'s;<z  
y#{> tC  
结果：使用GFT+进行光束整形 yzCamm4~0  
5DeAH;  
"CQ:<$|$  
_nW#Cl~  
ID=^497  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 gDsb~>rb|  
cr{f*U6`  
BG20R=p  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 gM#]o QOGE  
XgZ.UT  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 f,Dj@?3+  
yFqB2(Dv  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 8z"*CJ@  
l:VcV  
[RUYH5>Ik  
Rp""&0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &qFy$`"  
>uDE<MUC  
结果：评估光束参数 +,ZQ( ZW  
>BlF< d`X  
4T:@W C  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 uyWt{>$  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ||kUi=5  
Zut"P3d=J  
1lQO`CmR6M  
 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。 H(j983  
 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） Q
PpC_pZh  
S_56!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd L(qQ,1VY  
5XA{<)$  
光束质量优化 Sy`7})[  
jG&gd<^  
b$1W>  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 rXu^]CK *G  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 OuF%!~V  
s8 0$   
结果：光束质量优化 EAXbbcV  
Vq<\ixRi  
6w:M_tDM  
 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。 u IGeSd5B  
a@V`EEZ  
rOd~sa-H  
N3g\X
  
 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。） zU,Qph ,<  
)>|x2q  
a
vo[~ `.  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ;/g Bjp]H  
S4FR=QuVQC  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 K_sHZ  
&;Jg2f%.  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 u =%1%p,  
bs=x
>F  
9s'[p'[Z  
 这意味着参数变化是的正态 j>-O'CO
 
YRm6~c  
V1Opp8  
1z$K
54Mj  
V*w~Sr%  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 `suEN@
^  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 [=q&5'FY0  
CDU$Gi  
vhOX1'  
_)?59  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,4tuWO)"  
eQqx0+-0c  
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） HSsG0&'-Y  
V*1hoC#  
DYFfq  
sbi+o,%1  
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。 _gl7Ma  
oi:!YVc  
总结 \T]'d@Wyd  
\DC0`  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yhSbX4Q  
1.模拟 dF<GuS;l5  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 jZ\a:K?  
2.研究 \hr2#!  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 \x9.[?;=e  
3.优化 /pS Y~*  
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。 6=o'.03\f  
4.分析 nqMXE82  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 1rLK1X  
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。 |`,AAa  
O4.`N?Xq  
参考文献 g`9`/  
[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). J70r`   
o3OtG#g2  
进一步阅读 f5ttQ&@FF  

GI _.[  
进一步阅读 #l?E2 U4WL  
 获得入门视频 #Li6RSeW  
- 介绍光路图 O-jpS?@  
- 介绍参数运行 l1I
\kh
S  
 关于案例的文档 l}M
Vk%[  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens O=E?m=FR"  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Hru~Y}V  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 0M
u6R=s  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair ZD;1{  
ly~tB LH}  
x=%wPVJ  
QQ：2987619807