[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ^+EMZFjg(  
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jA):  
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 <H!O:Mf_p  
f:S}h-AL&  
1PmX."a  
,|A{!j`  
简述案例 D
]jkR} t  
# 9V'';:  
系统详情 8'+7i8e  
 光源 Y4`QK+~fH  
- 强象散VIS激光二极管 f P+QxOz  
 元件 ~C0Pu.{o  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ),yH=6  
- 具有高斯振幅调制的光阑 &"xQ~05  
 探测器 >C:If0S4X  
- 光线可视化（3D显示） 8+&gp$a$  
- 波前差探测 } +1'{B"I  
- 场分布和相位计算 =88t*dH(,"  
- 光束参数（M2值，发散角） 7pz\ScSe  
 模拟/设计 Ep<YCSQy$i  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ^zHRSO  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 2?*||c==*  
 分析和优化整形光束质量 4aA9\\hfGY  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Wy8,<K{  
UUGe"]V^g:  
系统说明  ;HP#bx  
oikxg!0S  
q P'[&h5Y  
模拟和设计结果 ] ;&"1A  
sSz%V[XWL  
数值探测器结果 brfKd]i  
{!MVc<G.  
YQ+^  
YroNpu]s  
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2N~$  
总结 m!0N"AjA  
K0v
.3  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,2ME2@OP  
1.模拟 @R UP$  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 h mds(lv7  
2.评估 +O4(a.  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 6Etss!_  
3.优化 oE6|Zw  
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。 bb}?h]a  
4.分析 `On3/gU|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 5tMh/]IeS  

(uRZxX  
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。 CIEJql?`  
KXq_K:r?  
详述案例 =&N$
Vqn  
E0<)oQ0Xa>  
系统参数 N2[jO+6  
>K5~:mx#3  
案例的内容和目标 S*xhX1yUi  
McP~}"!^  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Li]k7w?H  
6< >SHw  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 >J@egIKzP  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 @+:4J_N  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 7=vYO|a/4  
hF.6}28U1  
模拟任务：反射光束整形设置 r^Y~mq  
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。 $o"g73`3  
JtFiFaCxY  
4#7Umj  
.yX>.>"T|  
26 ?23J ;  
nEyIt&>9  
规格：像散激光光束 &wb9_?ir-  
vtZ?X';wh  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Y1WHy*s?  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 "$DldHC  
R^6Zafp  
fnWsm4  
*i@T!O(1)M  
drIK(u\_  
+
sRP<as  
规格：柱形抛物面反射镜 r:NH6tAL  
                         vd(dNu&,<  
 有抛物面曲率的圆柱镜 kW
+G1|  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ,VWGq@o%  
 曲率半径等于焦距的两倍 tt{`\1q  
nj  
A="fj  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） l&Q!mU}  
&[~[~m|  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 N+J>7_k   
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） fhr-Y'  
 离轴角决定了截切区域 ;ctU&`  
3~<}bee5|q  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 1`QsW&9=b  
Z2bUs!0  
   ?+\E3}:  
PQ3h\CL1n  
光束整形装置的光路图 4.'JLArw  
|Euus5[  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 r.<
JDdj  
 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。 *KJ7nRKx(w  
sOz sY7z3Z  
反射光束整形系统的3D视图 n`.#59-Hx  
/AR]dcL@76  
ZF'H
M@cfo  
Q6x%  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 $H;+}VQ  
 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）。 >)3VbO  
] D6|o5  
详述案例 2yxi= XWZ  
*Ru2:}?MpS  
模拟和结果 c{4R*|^  
"lrA%~3%[P  
结果：3D系统光线扫描分析 !=[>r'+3  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 tl^m=(ZQ  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 >{t+4p4k.  
rN#\AN  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd */_@a?  
j|(:I:]  
使用参数耦合来设置系统 Y&GuDLUF  
]| WA#8_|  
!Rqx2Q  
自由参数： /[?Jylj  
 反射镜1后y方向的光束半径 m[rL\](-  
 反射镜2后的光束半径 DY.58IHg1  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） mf2Mx=oy  
 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。 8W,*e
ke?  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ,]q%/yxi  
M5O'=\+,F  
K(3&27sGN  
:\bfGSD/gd  
q~h:<,5  
lwJipIO  
;"@:}_t  
自由参数： 2kJ!E@n7  
 反射镜1后y方向的光束半径 (}"S)#C  
 反射镜2后的光束半径 +'%\Pr(  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） M2p<u-6 "  
 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。 Pb4q`
!  
t:T?7-XIE  
(yGQa5v  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 SUu >6'LN  
+?V0:Kz]  
 qpTm  
结果：使用GFT+进行光束整形 r<|nwFJ  
-[$&s FD  
blp=Hk  
J7n5Ps\M  
Pi){h~B>  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ?K<ZkYw?  
BSDk9Oc  
zX~}]?|9  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 [Xh\mDU.  
ugxw!cj  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 !0Nf9  
~p^7X2% !  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： #>bT<  
4=s9A  
`p1DaV  
{82rne`[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd MWhwMj!:m  
6w!e?B2/%  
结果：评估光束参数 x~Agm_Tu+'  
o&,Y<$!:VH  
5[<F_"x  
 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。  0Ve%.k  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ]>vf9]  
<`+zvUx^?  
HtUG#sc&`{  
 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。 z5pc3:  
 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） "*bk{)dz}  
Xl?YBZ}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd (H1lqlVWV#  
?@3&dk~ni  
光束质量优化 o\60n  
5%&]  
h~fWE  
 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。 jN{Zw*  
 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）。 yZ~b+=UM  
1I \tu  
结果：光束质量优化 j8c6[ih  
K%PxA#P}  
zLK\I~rU!  
 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。 gDv$DB8-  
B0"0_n7-  
Jh^8xI,`C  
)Oe`s(O@[I  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 0[i}rC9&  
FT4l$g7"  
ArL-rJ{}  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 5v3RVaqZ  
KK$ a;/  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 *;P2+cE>H3  
QXB|!'  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Q)T+r~#2B  
>|(%2Zl  
qg)qjBQwA  
 这意味着参数变化是的正态 d
r{1CP  
`[bJYZBc2  
oR#my ^  
Oa1'oYIHg  
k{{hZ/om  
 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。 Mlwdha0  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 "8?TSm8  
Zd+>  
7O9n!aJ  
dEG ]riO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run }>,CUz  
`1q|F9D  
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） m\?\6Wk  
jJc07r']  
AygvJeM_W  
*73AAA5LKa  
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。 kJ__:rS(T_  
*V-
ds8AQ  
总结 `yx56  
?eVj8 $BQo  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /vy?L\`)#  
1.模拟 )\"I*Jwir  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 8UYJye8  
2.研究 4a?r` '  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 1EuK,:x  
3.优化 j<@fT ewZ  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Y6a$gXRT  
4.分析 d{3I.$ThH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 );!dg\U  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 s6IP;}  
Ym`1<2mq\  
参考文献 @f%wd2  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). smbUu/  
TGtyJ3x\  
进一步阅读 '(
XW$D  
*.xZfi_|  
进一步阅读 "&}mAWT%If  
 获得入门视频 9GaL0OWo  
- 介绍光路图 t+J)dr  
- 介绍参数运行 `[&v  
 关于案例的文档 VD9J
}bgJ  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens zaBG=  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens rCkYfTYI  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing [{?;c+[  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair j $KM9  
$CM4&{B"i  
D*qzNT@`LR  
QQ：2987619807