[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） <lP5}F87  
o#hFK'&~  
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 q.ZkQN+  
jE!?;} P1  
u-R;rf5%k  
$GQ{Ai:VwF  
简述案例 SI/3Dz[  
nZ4@g@e2
 
系统详情 "ZP)[ [Rd  
 光源 z6Zd/mt~x  
- 强象散VIS激光二极管 =\gK<Xh  
 元件 y4,t=Gq7^  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） { {+:Vy  
- 具有高斯振幅调制的光阑 /
2Bf6  
 探测器 i2?TMM!Fe  
- 光线可视化（3D显示） naM=oSB(  
- 波前差探测 9>ML;$T&  
- 场分布和相位计算 , RU   
- 光束参数（M2值，发散角） +<'>~lDg  
 模拟/设计 * & : J  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 f<vZ4 IU  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： U/jCM?~  
 分析和优化整形光束质量 S+u@ Q}
 
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 K}QZdN']  
=~'y'K]  
系统说明 e|4U2\&3y  
v(l:N@L  
m'U>=<!D  
模拟和设计结果 C:RA(
  
s}?QA cC  
数值探测器结果 j5m]zh5\J=  
Z8o8>C\d9/  
W"H(HA  
Q
\aC:68  
*_eY +\j  
总结 Ki\J)l  
T_oL/x_;  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 B dxV [SF  
1.模拟 a[RqK#  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。  5c1{[  
2.评估 T<U_Iq  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Oox,4
&  
3.优化 #./8inbG  
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。 RIq\IQ_|  
4.分析 -o YJ&r  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 h`:B8+k  
CFG(4IMx  
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。 gk4DoOj#P  
K&;/hdS=F  
详述案例 :7pt
=IA  
#z9@x}p5g  
系统参数 )gNVJ  
:YNXS;>)!  
案例的内容和目标 HQ^:5XH  
[#/@v/`  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Zmy:Etqi  
d2*uY.,  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 XvkFP'%i/  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 m=%yZ2F;  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 <Y^)/ s  
r8Z} mvLM  
模拟任务：反射光束整形设置 90!67Ap`x  
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。 _+. )8   
DTCOhUIV  
S3?U-R^`  
8Oo16LPD  
A(wuRXnVWK  
&U yQ<O>  
规格：像散激光光束 L*1yK*  
B#[.
c$  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 fk(h*L|sI  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 B-[qS;PY%  
zN,2 (v"  
F+?g0w['  
KNqs=:i  
oVeC@[U  
WXCZ }l  
规格：柱形抛物面反射镜 1ika'  
                         ]BY<D`$$P  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ;7N~d TBQ  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 nBGcf(BE.$  
 曲率半径等于焦距的两倍 Mt%=z9OLq9  
:U/x(  
aX|LEZ;D>  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） %q_b\K  
 4,?ZNyl  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 eX <@qa4<  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） eTZ2f  
 离轴角决定了截切区域 8d8GYTl b)  
>2dF^cDE-3  
规格：参数概述（12° x 46°光束） MUvgmJsN  
 R]"3^k*  
   D4\ * ,w  
>IE`, fe  
光束整形装置的光路图 %2<u>=6byG  
@]X5g8h  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 |ZJ<N\\h-  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 l[M?"<Ot;  
C!6d`|  
反射光束整形系统的3D视图 5nv1%48Ri  
l|5;&(Y+s  
W;!)Sj4<T!  
>!%F$$  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 +'!Y[7|9iv  
 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）。 EN{o3@ O'  
p@jwHlX  
详述案例 N=~aj7B%  
qotWWe#  
模拟和结果 I"b
z6t\~|  
t$-!1jq  
结果：3D系统光线扫描分析 #D|n6[Y'.t  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ,@0D_&JAl  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 R;`C;Rbf  
"]ZDs^7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd p
~f=0K  
9q_c`  
使用参数耦合来设置系统 bW^JR,  
0UOjk.~b  
!?5YXI,  
自由参数： qUKSo9  
 反射镜1后y方向的光束半径 (qdvvu#E  
 反射镜2后的光束半径 L=wpZ`@ y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <#~n5W{l  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 2./;i>H[u  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ]'5 G/H5?;  
Ri;_ 8v[H|  
e"&QQ-q  
RJOW#e :  
z4{:X Da  
x4-_K%  
VMH
^jCFp  
自由参数： r1/9BTPKdJ  
 反射镜1后y方向的光束半径 P(cy@P
,D  
 反射镜2后的光束半径 r$W%d[pB  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _)[UartKx  
 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。 R*DQLBWc  
% Ou'+A  
9PdD=9HH  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 I&;9  
pv]" 2'aQ  
n+S&[Y  
结果：使用GFT+进行光束整形 ym_p49  
YO9;NA{sH  
|=AaGJx  
<.&84c]/&  
hlmeT9v{  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。  zPN:)  

%~L"TK`?  
wSi$.C2  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 bvS6xU- J  
jl5&T
{z
  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 +QNsI2t;r  
wf`A&P5tF  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： c(aykIVOo  
N(V_P[]"*,  
;GIA`=a%  
Jv}&8D  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd V-eRGSx  
yD#(Iw  
结果：评估光束参数 D -d  
"c\WZB`|  
qw1W}+~g  
 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。 .f"1(J8  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 )Xa_ry7  
7hTpjox2  
%z=:P{0U
Q  
 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。 sO}CXItC+j  
 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） D|ra ;d  
zc$}4o  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Bal e_s^  
C+g}+  
光束质量优化 UI"UBZZ$  
xy b=7  
?|98Y"w  
 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。 ptrwZ8'  
 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）。 _",<at  
3&CV!+z  
结果：光束质量优化 '%wSs,HD  
/Ry%K4$  
jXLd#6  
 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。 2Z%n "z68  
ZE-vroh  
"T{WOGU+  
ge(,>xB  
 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。） Le:C8^  
!Ve0:$  
`FQ]ad Fz  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd b>VV/j4!/  
IdN3Ea]  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 0&j90J$`  
q)L4*O  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 rR :ZTfJs"  
M:GpyE
%  
tE_n>~Zs  
 这意味着参数变化是的正态 ux
B)dS  
'(FC  
(;;ji!i  
+/Y2\s  
cI'n[G  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 Lv]%P.=[G  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 \? )S{  
Hp04apM:  
^n0;Q$\  
/uX*FZ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run :\P@c(c{^C  
Q;8
z&4s@  
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） X':FFD4h  
O&BvWik  
pQBn8H|Y  
j=irx5:  
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。 ` = O  
Zh;wQCDj  
总结 h;jO7+W  
}+n|0xK  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 dEtjcId  
1.模拟 }6%XiP|  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 rZ `1G  
2.研究 xyL)'C  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 [w'Q9\,p
 
3.优化 o13jd NQ-  
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。 S[3"?$3S  
4.分析 _x<NGIz  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 6/S.sj~  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 6]b"n'G  
cZxY,UvYa  
参考文献 71R,R,  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). RH;ulAD6(~  
y
(Gn+  
进一步阅读 ~r.R|f]IQ  
?"9h-g3`x}  
进一步阅读 losqc *|  
 获得入门视频 g4h{dFb|_  
- 介绍光路图 tRdf:F\X  
- 介绍参数运行 ~|}]  
 关于案例的文档 ;
nBf  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens nXRa_M(z8  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 6]?%1HSi  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing skcyLIb  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 1X2j%qI&  
F<I*?${[  
G*9>TavE  
QQ：2987619807