[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） lx)Bj6  
]b+Nsr~  
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 rBLcj;,
 
uE;bNs'  
F\Z|JCA  
Y}n$s/O:u8  
简述案例 t ;-U   
V
Kw33  
系统详情 ^U8^P]{R|  
 光源 -Uj3?W  
- 强象散VIS激光二极管 -^f>=xa4J  
 元件 a3wk#mH  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） zm{U.Q  
- 具有高斯振幅调制的光阑 nf2[hx@=U  
 探测器 X
:Iam#H  
- 光线可视化（3D显示） "NMSLqO  
- 波前差探测 \Ctl(uj  
- 场分布和相位计算 DKG99biJN  
- 光束参数（M2值，发散角） !5VT[w 1  
 模拟/设计 jqJ't)N  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 QIWfGVc-  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： TGSkJ 1Lx  
 分析和优化整形光束质量 B]lM69Hz  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 3[UB3F4K  
'[zy%<2sL  
系统说明 A?;KfVq  
6|@\\\l  
`iQ9
9  
模拟和设计结果 6E))4 lW  
9l&4mt;+&<  
数值探测器结果 4COo~d  
\pwg8p[4Q  
JO=kfWW  
tXg>R _\C  
?}Y;/Lwx  
总结 C_rA'Hy  
g54b}vzm  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 F4|U\,g  
1.模拟 ^)%TQ.  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 s+@`Z*B5  
2.评估 JIh:IR(ta  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ?rSm6V  
3.优化 T@?uA*J  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 tvEf-z  
4.分析  jT$  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 [39  
C9Xj)5k@R  
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。 LO@='}D=  
%kXg|9Bx!  
详述案例 zv>7;E
n3  
g7g^iLU  
系统参数 gu|cQ2xV  
6_a~ 4_#  
案例的内容和目标 --BS/L-  
{[Z}<#n)  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 2(s-8E:  
RS9mAeX4h  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
dOx0'q"Z  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 UWIw/(Mv/]  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 G\ m`{jv  
6Sr}I,DG  
模拟任务：反射光束整形设置 cms9]  
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。 7 yp}  
#Ks2a):8  
kW.it5Z#  
D\9
-MXc1  
dHJ#xmE!pP  
o^*k   
规格：像散激光光束 ["}Yp  
uh 3yiDj@a  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 :+Okv$v4  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 $*N)\>~X  
Pp~:e}  
k*$[V17  
,5J}Wo?Q}  
8TV "9{ n  
ffgb3  
规格：柱形抛物面反射镜
/gUD!@  
                         ? ht;ZP  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ;($"_h  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 "4[8pZO/  
 曲率半径等于焦距的两倍 _7P#?:h  
60Szn]z'8[  
^f_4w|u,+  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 9S! 2r  
$C
P_oEb  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 vd]75  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） iW$f1=i  
 离轴角决定了截切区域 u~\I  
5A`T}~"X  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 9f7T.}HM  
_+NM<o#A  
   2GW.'\D  
TL*8h7.(  
光束整形装置的光路图 CF0i72ul5  
ml\2%07  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 3Sh#7"K3  
 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。 G.y~*5?#  
lk`,s  
反射光束整形系统的3D视图 Uk@'[_1z  
ne-;gTP;  
KV {J>J1  
KVA~|j B  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 5ON\Ve_H  
 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）。 22_%u=p-|  
JrgpDZ  
详述案例 E3P2  
?@LqrKj11  
模拟和结果 3X#)PX9b){  
wOU\&u|
 
结果：3D系统光线扫描分析 iwS55o  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ,"U_oa3  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 @kmOz(  
2ms@CQy(00  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [t}\8^y  
Yp(F}<f?  
使用参数耦合来设置系统 
.QVZ!  
C]'ru  
lS!uL9t.  
自由参数： RwyRPc_  
 反射镜1后y方向的光束半径 5?M d  
 反射镜2后的光束半径 Ptj[9R  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） &w"1VOV<  
 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。 $7 FT0?kG  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ;(I')[R"  
M>LgEc-v67  
5i|DJ6  
|jT^[q(z  
\[yg f6#[  
XjINRC8^4  
B;=-h(E}vJ  
自由参数： kD.KZV  
 反射镜1后y方向的光束半径 9Impp5`/B  
 反射镜2后的光束半径 YOE!+MiO  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7 S6@[-E
 
 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。 @})]4H  
!eE;MaS>  
W _JGJV.^f  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 bjCO@t  
%ok??_}$}q  
x_VD9  
结果：使用GFT+进行光束整形 eF=cMC  
uzgQ_  
OJ!=xTU%h  
t'{IE!_  
l+HF+v$  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 |X6/Y@N  
Z(c3GmY  
^T&@(|o  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 hw9qnSeRy  

R.'-jvO  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 \{u 9Kc  
YkuFt>U9,  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 2uZ4$_  
|S0nR<x-M  
x,81#=m^h  
L5j%4BlK/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd =&~7Q"  
c+A$ [  
结果：评估光束参数 ]9]o*{_+(f  
aP&bW))CI  
%<]4]h  
 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。 Vl\8*!OL%  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 u/_TR;u=q  
{i#z<ttu  
hteAuz4H  
 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。 !!:mjq<0  
 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） HzQY\Y6  
0ub0[A  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd {'@`:p&3r  
eEl71  
光束质量优化 dn1Fwy.  
``:+*4e9  
tN1xZW:  
 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。 MP_LdJM1E  
 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）。 +S6(Fvp  
-~] q?k?  
结果：光束质量优化 &,8F!)[9  
z)Gd3C  
fK{m7?V  
 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。 slTE.  
e%_J O7  
'B\7P*L"p  
SUC'o"  
 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。） F?+\J =LT  
mJNw<T4!/  
'zhv#&O  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd s C>Oyh:%!  
cw"Ou%  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 L+.&e4f'oj  
>r\q6f#J4  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 lW|`8ykp  
Bw/8-:eb  
1Eh6ti  
 这意味着参数变化是的正态 8_Nyy/K#F  
572{DC&T  
\k 6'[ln  
U!i1~)s  
WCD)yTg:ES  
 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。 _J"fgxW  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 eXQLE]L]  
+l hJ8&  
$uUR@l  
2h:{6Gq8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run hQ ?zc_3  
4w5);x.  
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） SA?lDRF  
U8zCV*ag  
;-AC}jG  
V}X>~ '%  
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。 >@)p*y.K  
|=js!R|  
总结 4<V}Aj8l  
J9-n3o  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _9C,N2a{C  
1.模拟 > JC"YB  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ^Na3VP  
2.研究 1
ixBwnp?  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 $0Ys{m  
3.优化 o~7D=d?R  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 I(H9-!&  
4.分析 5.$/]2VK  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 xLSf /8e  
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。 E#R1
 
[/o BjiBA  
参考文献 9ZNzC i!  
[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). ot0g@q[3  
lVCnu>8  
进一步阅读 q|V|Jl  
=o4gW`\z  
进一步阅读 WjguM  
 获得入门视频 I?RUVs  
- 介绍光路图 d uP0US  
- 介绍参数运行 8*;>:g  
 关于案例的文档 2@W`OW Njm  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens EU7nS3K)O~  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens EW`3$J;  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing R"j<C13;%  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair @/,0()*dL  
~ mzX1[  
0V?7'Em  
QQ：2987619807