[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） )@'}\_a3[]  
.@Dxp]/B}  
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 ]P
2"[y  
(/*]?Ehd  
8&Y^""#e)  
#`X?=/q  
简述案例 mju>>
\9  
&q|K!5[k  
系统详情 H1(Uw:V8  
 光源 q=qcm`ce  
- 强象散VIS激光二极管 lR6x3C H@  
 元件 v2;`f+  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Q({ r@*g  
- 具有高斯振幅调制的光阑 _Z,\Vw:\F  
 探测器 1q1jZqno  
- 光线可视化（3D显示） td3D=Y  
- 波前差探测 (41|'eB\\  
- 场分布和相位计算 HuKc9U'7A  
- 光束参数（M2值，发散角） 1s@+;QUib  
 模拟/设计 L4|`;WP  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Sw^u3  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： {Wu$YWE*sx  
 分析和优化整形光束质量 \K]0JH  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 [o5Hl^  
~B(4qK1G  
系统说明 ""QP%  
%lGfAYEM=  
WPG(@zD  
模拟和设计结果 YNj`W
1  
u4%Pca9(=  
数值探测器结果 #7YY<) xt}  
I[##2  
2WV
ka  
gH7|=W  
EJ:%}HhA  
总结 &wE%<"aRAl  
E6gI,f/p0X  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 K$_0`>[  
1.模拟 BC<^a )D=  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 B[-v[K2  
2.评估 z}ddqZ27G$  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 J9iy  
3.优化 
K_ ~"}  
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。 `o8/(`a  
4.分析 KOuCHqCfq  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 xJ)n4)  
P8)=Kbd  
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。 r_6ZO&  
G&V/Gj8  
详述案例 krvp&+uX  
[>%xd)8.c  
系统参数 :'l^kSP_*C  
7.#F,Ue_0T  
案例的内容和目标 t*T2Z-!P  
9g"2^^wD  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。  Qq;Foa  
M`i\VG  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 'd$P`Vw:  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 c%G{#}^2  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 #(JNn'
fzq  
c+$*$|t=v`  
模拟任务：反射光束整形设置 {Um)15K  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 es&vMY  
2Kyl/C,  
Zk"eA'"\  
nV:LqF=  
j=aI9p  
JYd 'Jp8bP  
规格：像散激光光束 gSUcx9f]  
;he"ph=>  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ;n=.>s*XL'  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 C3],n  
J|bd)0  
`_RTw5{  
sVv xHkt@  
72y0/FJ  
[@b&? b~K  
规格：柱形抛物面反射镜 iS Gq!D  
                         ^_u kLzP9  
 有抛物面曲率的圆柱镜 8b-Q F  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 F,dx2ZPIs?  
 曲率半径等于焦距的两倍 ,5,!es@`b  
S` ;?z  
C=It* j55  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ZUR6n>r  
dA0.v+Foz"  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 \LppYXz  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） QQ~-  
 离轴角决定了截切区域 6%Pdy$ P  
n3Z5t  
规格：参数概述（12° x 46°光束） K4;'/cS  
$[&*Bj11Yg  
   -}=%/|\FG  
Vz)`nmO}5\  
光束整形装置的光路图 .#Z%1U%P.  
^1aAjYFn  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 % !>I*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。 fhp<oe>D  
pDcjwlA%  
反射光束整形系统的3D视图 9Hu/u=vB<  
V=V:SlS9|  
Nkl_Ho,  
^Z#W_R\l  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 FPI;Jx6W'  
 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）。 F\k+[`%{  
;z:UN}  
详述案例 ?zVL;gVWA  
?yR&/a  
模拟和结果 1ilBz9x*!  
3G~@H>j  
结果：3D系统光线扫描分析 ur@Z|5  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ;b(p=\i  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 oifv+oY  
okv1K  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd :8+Nid)  
aKuSd3E@#  
使用参数耦合来设置系统 c8
>hcV  
q51Uf_\/  
nwaxz>;  
自由参数： )5U[o0td  
 反射镜1后y方向的光束半径 S.q].a  
 反射镜2后的光束半径 _DNHc*  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） G\r?f&  
 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。 `Ru3L#@  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 FE!lok  
LLXVNO@e+  
ehG/zVgn  
e0@Y#7N62  
lB
FMwJU)  
hQHnwr  
Adgc% .#  
自由参数： A\#P*+k0  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]U7KLUY>:  
 反射镜2后的光束半径 7=OQ8IM!  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） '@CR\5 @  
 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。 Gkv{~?95  
?Wt$6{)  
`8>Py~  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
R@#G>4  
Ch%m  
Eb>78k(3I)  
结果：使用GFT+进行光束整形 jDN ]3Y`  
pBP.x#|  
T%n2$  
A7`1-#  
@b~fIW_3>  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
<u:WlaS  
'fNKlPMv4D  
B8%{}[q  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 4bJZmUb  
v\"S Gc  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 CZt \JW+"  
j$Je6zq0x  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： t2iv(swTe  
+@K09ge  
&gE 75B  
STw#lU) %(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ^3FE\V/=  
BEgV^\u  
结果：评估光束参数 ^F"iP7   
?k|H3;\  
dN}#2Bo=  
 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。 hyT1xa  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 :4T("a5aM  
$<|lE/_]  
j]m|7]  
 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。 rJInj>
|{=  
 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） %9#gB  
_:B1_rz7,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd u}|%@=xn  
2JS`Wqy  
光束质量优化 awUx=%ERtA  
*8tI*Pus  
([VV%ovZ  
 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。 nbTVU+  
 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）。 [ dE.
[  
VCcr3Dx()F  
结果：光束质量优化 `H3.,]
 
=@5x"MOz  
;eZ#bjw-d  
 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。 08m;{+|vY  
K!mOr  
AisN@  
\rV B5|D?  
 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。） ,xT?mt}P  
|J~eLh[d  
U70]!EaT  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd T4;T6 9j;,  
ez9k4IO  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 a3>zoN  
sfVf@0g  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 $.489x+'Z  
1lnU77;  
1]T`n/d V  
 这意味着参数变化是的正态 Sj(F3wY  
M}hrO-C
 
w_iamqe,  
-gz0md|Y  
=[<m[.)i  
 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。 *}):<nB$^  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Gj /3kS~@  
Z2bcCIq4  
+"g~"<  
rB%$;<`/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run W];EKj,3W  
swc@34ei\  
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） t%r :4,  
@oG)LT  
-NBiW6b~  
vG2b:[W  
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。 GW2')}g  
?Jtg3AY  
总结 k,Zm GllQ]  
yO>V/5`  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 gK3Mms
]}m  
1.模拟 :'r6TVDW  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 L6i|:D32p  
2.研究 &VWlt2-R0h  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 3|Y!2b(:?  
3.优化 #rYENR[  
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。 ]wuy_+$  
4.分析 .#5l$['  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 I2HT2c$  
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。 nD,{3B#  
*
,\` o~  
参考文献 .%0ne:5  
[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). <V_7|)'/A  
$X+u={]  
进一步阅读 5`E))?*"Pe  
aN^IP  
进一步阅读 [D'Gr*5~{  
 获得入门视频 <2P7utdZ   
- 介绍光路图 |&hU=J o  
- 介绍参数运行 f e $Wu  
 关于案例的文档 c/u_KJFF-n  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens mPVE?jnR^0  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens N)43
};e  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing w
y4q[$.4v  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair MPRO !45Z  
@5}gsC  
J^I7BsZ  
QQ：2987619807