[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） AtU v71D:  
E Q4KV  
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 BBH0OiV=  
UbEb&9}  
bV edFm  
+E1I");  
简述案例 *+TH#EL2  
zG' "9kJx  
系统详情 6'kS_Zu{<  
 光源 \Y|~2Ls8tu  
- 强象散VIS激光二极管 YLwnhy>dD  
 元件 D\@m6=L  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Q:|l`*.R  
- 具有高斯振幅调制的光阑 tp6M=MC%  
 探测器 @HRC\OG  
- 光线可视化（3D显示） '"<6.,Ae  
- 波前差探测 %honO@$  
- 场分布和相位计算 VOc8q-hK  
- 光束参数（M2值，发散角） Ypei
y`.  
 模拟/设计 ,*&G1|_6  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 :8 jhiB)  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： p8kr/uMP ;  
 分析和优化整形光束质量 5DXR8mLoaJ  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 d"5oD@JG:  
pM{nh00[  
系统说明 n6*En7IVh  
(RUT{)p[  
~by]xE1Eg  
模拟和设计结果 $we]91(::  
"p/j; 6H  
数值探测器结果 iT;@bp  
 t^xTFn  
tG8jFou  
FuUD 61JHY  
2u"7T_"2D  
总结 y.=/J8->  
*?z0$Kz<,[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 rQOWLg!"  
1.模拟 -DN8Yb  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 (x"BR  
2.评估 ) c/% NiN  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
!IC-)C,q  
3.优化 SG?Nsp^%`B  
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。 )mJf|W!Z#  
4.分析 "+z?x~rk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 kM'"4[,nz  
?E9DXg  
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。 N7b1.]<  
\":?xh_H  
详述案例 ari7iF~j  
4EXB;[]  
系统参数 n4R2^gX
Aw  
b1gaj"]  
案例的内容和目标 .fi/I  
>Jw6l0z  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 T"p(]@Ng  
zOHypazOTq  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 l{:a1^[>y  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 @v}B6j b;  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 jSOS}!=  
dL
vJh#`o  
模拟任务：反射光束整形设置 @)>D)
)+  
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。 f`8OM}un&  
F( Ak  
?f*Q>3
S)  
ewuXpv%vwW  
R*zO dxY  
`^(jm  
规格：像散激光光束 Q \]Xm>  
`e]6#iJ^  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \dlph  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 .c^ ggy%  
2/36dGFH  
w-b' LP  
Kzb`$CGK  
a`E*\O'd  
B
51kV0  
规格：柱形抛物面反射镜 3Wcy)y>2Ap  
                         Z,c,G2D  
 有抛物面曲率的圆柱镜 o<l 2r  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 &[a Tw{2  
 曲率半径等于焦距的两倍 3ta$L"a  
b@t5`Y-+K  
F52B~@.  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ]~>K\i  

m,>  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 /u`3VOn  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） >p])it[q&$  
 离轴角决定了截切区域 ?$z.K>S5  
Nt:8ogk/  
规格：参数概述（12° x 46°光束） .mL#6P!d3^  
K"<*a"1I  
   4'Xgk
8)  
s?3i)Ymr  
光束整形装置的光路图 2 ?|gnbE:  
~%#mK:+  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 `nJu?5  
 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。 ^1jk$$f  
u-DK_^v4M  
反射光束整形系统的3D视图 HFo-4"  
LS.r%:$mb  
Gzt=u"FV  
H]31l~@]  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 n&-496H  
 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）。 ,xths3.K  
8cm@a*2%  
详述案例 -DO&_`kn  
O\OE0[[
 
模拟和结果 Eff\Aq{  
LH]CUfUrUE  
结果：3D系统光线扫描分析 U3#dT2U  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 nhdTTap&9  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Psa@@'w  
Zv qn%K],  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Az,- C
q  
Y:x/!-  
使用参数耦合来设置系统 H
5nS%D  
vz`@x45K  
N dR ]  
自由参数： lQ*eH10H  
 反射镜1后y方向的光束半径 #Ogt(5Sd  
 反射镜2后的光束半径 6J%iZ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 2H[)1|]l  
 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。 ;RN8\re  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =^h~!ovj:  
o;`
!kIQ  
*
+lsZ8'^C  
j%& IL0  
ARL  
i(HByI  
m/USC'U%  
自由参数： -!*p*3|03|  
 反射镜1后y方向的光束半径 ;R[&pDx  
 反射镜2后的光束半径 +T_ p8W+j  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,EhVSrh)_4  
 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。 K5 vNhA  
t6u-G+}  
73DlRt
 *  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 V,QwN&  
)teFS%  
U6WG?$x  
结果：使用GFT+进行光束整形 rm+v(&  
d$1#<-yP  
++9
2:decM  
2mJ:c  
boQ)fV"  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 fwmLJ5o N  
/)1v9<vM"  
Y">4Qx4W  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Hc!!tbBQ  
ha'qIT3&  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 hhq$g{+[  
B!q?_[k,  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ^!@*P,'I  
#)i&DJ^Y  
S|2VP8xY9  
1=TSJ2{9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Hptq,~_t  
h=f6~5l5  
结果：评估光束参数 Z>{*ISvpq  
Pe,;MP\2  
PHkDb/HIx|  
 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。 <kc]L x  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 u[`v&e  
{(HxG4~  
</w7W3F  
 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。 XqFu(Lm8=  
 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） eJf>"IF-  
xT+ ;w[s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd UT-ewXh  
O|(o8VS  
光束质量优化 -M`D>  
,^+#M{Z  
||gEs/6-  
 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。 1,u{&%yL"w  
 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）。 LY1KQuY  
=|#w.(3y  
结果：光束质量优化 W8uVd zQ  
%Ht^yemQ  
T+BIy|O  
 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。 tBTJmih"  
j/`Up  
[#zE. TW  
T:)% P6/  
 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。） ~GYpat  
6 <r2*`  
)ys=+Pz  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd z qO$  
|<QI%Y$dr  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 I W8.  
m\} =4b  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 dWIZ37w+D  
+QQYPEx+  
WxDb3l~  
 这意味着参数变化是的正态 iZu:uMoc  
G#g{3}dcK  
S^)WYF5  
%,Q;<axzi  
D;J|eC>^  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 haik  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 E.U0q
K],  
zdT->%  
uJm#{[  
"?`JA7~g  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 0~:eSWz=  
bA0uGLc  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） SkriX
\p  
Y)5)s0}  
U"/yB8!W  
\&# p1K(H  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 g8rp|MOH  
KWtu,~O_u  
总结 ;*"!:GR%h  
olHH9R9:  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 IMw
"eV  
1.模拟 k>$FT`  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 /bu'6/!`  
2.研究 p9k4w% ~:  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 % i%ew4  
3.优化 4LJ]l:m  
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。 tru;;.lj8K  
4.分析 D8q3TyCj%  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 zZ<ns+h  
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。 @'@s*9Nr  
XX*'N+  
参考文献 <[/PyNYK  
[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). |K'Gw}fX/  
B-B?Ff>  
进一步阅读 r94j+$7  
D
l>*L  
进一步阅读 T-hU+(+hg  
 获得入门视频 d'x<-l9  
- 介绍光路图 H-;&xzAI  
- 介绍参数运行 xI-=tib  
 关于案例的文档 DN4fP-m-  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens =W;
t@"6>2  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 7=$+k]U8  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing v; je
<DT  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair L`<T'3G  
Mp]yKl  
8=lHUn9l  
QQ：2987619807