[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） t;y@;?~
 
1WI^RlWd(  
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 <V|\yH9  
-r[O_[g w  
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;vm7]5  
HUel  
简述案例 :S+Bu*OyH
 
1W7ClT_cQ  
系统详情 [6nN]U~Y  
 光源 Zy>y7O(,  
- 强象散VIS激光二极管 0aYoc-( A  
 元件 %~N| RSec  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） NHhKEx0Gtu  
- 具有高斯振幅调制的光阑 `L3{y/U'  
 探测器 Z|d+1i  
- 光线可视化（3D显示） )%hW3w  
- 波前差探测 ~;oaW<"  
- 场分布和相位计算 mC'<Ov<eJ  
- 光束参数（M2值，发散角） |gfG\fL3V  
 模拟/设计 +rKV*XX@  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 YOY2K%o  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： \CYKj_c  
 分析和优化整形光束质量 q oz[x  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 SYgkYR  
VzWH9%w  
系统说明 ~vMJ?P@  
,fhK  
S]gV!Q4%  
模拟和设计结果 ",S146Y+  
kU{a!ca4  
数值探测器结果 $qiM_06  
.F0Q<s9  
@ b}-<~  
|[$TT$
Fb  
R^yh,  
总结 ZUl-&P_X  
n -x
Caq  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 L!Gpk)}[i  
1.模拟 ziv*4  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。  bDq<]h_7  
2.评估 5GURfG3{  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 3E!3kSh|  
3.优化 t* =i8`8  
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。  $kxu-  
4.分析 q( %)^C  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 4UMOC_  
$Q=S`z=  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 B3E}fQm )  
Xj<xen(  
详述案例 <ti,Wn.  
 4Gj  
系统参数 a._>?rVy  
NH+N+4dEO  
案例的内容和目标 *b"aJ<+  
JHJ]BMm  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 q<cxmo0
S  
nHQWO   
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 )k81  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 AH^ud*3F  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `6v24?z  
P}he}k&IR  
模拟任务：反射光束整形设置 .RWq!Z=)3  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 USKC,&6&}  
{`9J8qRY  
n m.5!.  
tYx>?~   
%Lp#2?*  
88l{M[B2  
规格：像散激光光束 ,hCbx#h  
{]O.?Yru?  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 dlwOmO'Bm)  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Xvxrz{  
A"IaFXB  
!#S"[q  
it->)?"(6  
-~ Dn^B1^  
CT(HTu  
规格：柱形抛物面反射镜 |wyua@2  
                         w^[:wzF0  
 有抛物面曲率的圆柱镜 sc z8`%  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 y/"CWD/i  
 曲率半径等于焦距的两倍 A9z3SJ\vXl  
y)3OQ24  
gj82qy\:  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） SGpe\P]k  
}'h\;8y  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Q>TNzh  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 3w+ +F@(  
 离轴角决定了截切区域 G9CL}=lJ,  
0"iQHi  
规格：参数概述（12° x 46°光束） r|ogF8YN  
5[P^O6'  
   6df`]sc  
n%6=w9.%c  
光束整形装置的光路图 n.1$p  
Iv?1XI=  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 DO~~  
 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。 tD]vx`0>  
q0@b d2}  
反射光束整形系统的3D视图 F/"lJ/I  
G_xql_QR  
R[H#av  
bs)Ro/7}  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ^j<2s"S  
 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）。 +xNq8yS  
8cj}9}k  
详述案例 8*eVP*g  
'i 8`LPQ  
模拟和结果 x/%/MFK)>8  
$Y%,?>AL<  
结果：3D系统光线扫描分析 |j4;XaG)  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 cK'}+  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 R%Xz3Z&|  
o>I,$=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd th+LScOX  
c\rP"y|S};  
使用参数耦合来设置系统 EH]qYF.  

&& WEBQ  

BuS[(  
自由参数： H WFnIUv  
 反射镜1后y方向的光束半径 >vNE3S_  
 反射镜2后的光束半径 ]F"@+_E  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） K%;=i2:  
 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。 LKst QP!I  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 aF.fd2k  
\Lm`jU(:l  
>&Vz/0  
D*ZswHT{y  
yRt7&,}zL  
aQ0pYk~(  
C%"aj^u  
自由参数： !~Kg_*IT  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~P"o
_b6,k  
 反射镜2后的光束半径 `Yyi;!+0  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 8#RL2)7Uy`  
 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。 RIFTF R  
,jeC7-tX  
7~
VDk5Z6  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 M/YS%1  
Dc0CQGx9b  
BxesoB  
结果：使用GFT+进行光束整形 ra^"Vr  
Y$W)JWMY`  
Lg|]|,%e  

Ce} m_  
3lN@1jlh  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 18>v\Hi<  
xn1, o MY=  
"1rT> ASWI  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 igF<].'V  
|]b,% ?,U  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 5e&;f  
A&X XL~yH  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 2j$~lI  
WpC9(AX5g  
2g;Id.i>  
STz@^A  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ?)7UqVyq  
."ytBF  
结果：评估光束参数 l6.&<0pLT  
]6,D9^{;  
s$ ?;C  
 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。 &5hs W1`  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 xggF:El3{  
C4gzg  
CaV)F3   
 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。 xxOhGA)  
 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） ]N:Wt2   
Pxgul7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 3Qu-X\  
`k(m2k?  
光束质量优化 hbs /S  
`)TgGny01  
_.SpU`>/f  
 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。 lz_ r  
 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）。 c!mMH~#  
:)%cL8Nz]$  
结果：光束质量优化 kR{$&cE^  
Q<(aU{  
$dug"[  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 *T:jR  
){KrBaGa4  
@?& i   
OXbC\^qo@  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） R#s_pW{op  
1D%E})B6  
6rlvSdB  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd l|M|;5TW  
\8USFN~(Y  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Mo4c8wp&SM  
A>\3FeU>UC  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 <eZrb6a'  
fyxc4-D  
zo@,>'m  
 这意味着参数变化是的正态 uxL3 8d]  
qos/pm$
&i  
YB(8 T"  
ed#>q;jX  
o5G]|JM_  
 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。 c)c_Qv  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 V>ZDJW"G!  
>]2^5C;  
@.pr}S/  
|*L/ m0'L  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run qBZ;S3  
C#RueDa.  
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） ,<[x9 "3\  
1+Vei<H$  
]-l4  
milQxSpj  
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。 ){w!<Lb  
_:JV-lM  
总结 ~eUv.I/  
'Z nJdj  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ep
cvwM/A  
1.模拟 |V^f}5gd  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 >
"Zn# FY  
2.研究 FPEab69  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 &09G9GsnQ  
3.优化 |@hyGu-H+  
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。 S4OOm[8  
4.分析 ]Nue1xV_  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 EdZNmL3cB  
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。 w<I
q:3  
=UxKa`  
参考文献 ?yA 2N;  
[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). -#g0  
T%**:@}+  
进一步阅读 9xL`i-7]  
x(rl|o  
进一步阅读 51'V[tI;8  
 获得入门视频 .L^F4  
- 介绍光路图 ,u14R]  
- 介绍参数运行 Qd}h:U^  
 关于案例的文档 %t$)sg]  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ")w~pZE&+  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens #c-Jo[%G  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 2gnz=  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair P+,YWp  
nDNK}O~'  
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QQ：2987619807