[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） D;> 7y}\  
uM`i!7}  
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 xkDK5&V  
Nj4CkMM[3  
>;MJm  
}"TQ\v$  
简述案例 i4|R0>b  
AaYH(2m-  
系统详情 $@'BB=i  
 光源 ?-)!dl%N  
- 强象散VIS激光二极管 ({j8|{)+  
 元件 IADHe\.  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） &K0b3AWc  
- 具有高斯振幅调制的光阑 GmR3 a  
 探测器 We{@0K/O
 
- 光线可视化（3D显示） F `o9GLxM}  
- 波前差探测 -SM_J
R3<  
- 场分布和相位计算 j$q5m 24L  
- 光束参数（M2值，发散角） j2Dw7"f3  
 模拟/设计 pRun5 )7  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 @??3d9I  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： v`,!wS  
 分析和优化整形光束质量 -NJpql{Cb  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 o9e8Oj&  
v%qOW)].  
系统说明 y-3'qq'E  
Dq<la+VlO  
+ kMj|()>\  
模拟和设计结果 LXo$\~M8G8  
S&}7XjY  
数值探测器结果 7_2D4CI  
m&gd<rt/  
Z}$sY>E  
P_5aHeiJ  
{ze69 h  
总结 |2l-s 1|y  
`w 6Qsah  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 jM$bWtq2  
1.模拟 fc3nQp7  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ^nPy(
Q0  
2.评估 AT1cN1:4?  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 {KHI(*r;  
3.优化 i-wRwl4aEF  
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。 veq3t$sj  
4.分析 gttsxOgktH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 /GGyM
]k3  
O z0-cM8t  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 8s6[
-F5  
4uiq'-  
详述案例 `'s_5Ek  
vSnVq>-q&  
系统参数 A.r7 ks  
&'/"=lK  
案例的内容和目标 Nx.9)MjI  
h7+"*fN  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ura&9~  
.rk5u4yK  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 @!")shc  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 /^xv1F{  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 29J|eBvxx  
7N 0Bj!  
模拟任务：反射光束整形设置 gg#9I(pX  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 x >ah,  
t[q2W"#.  
V| Fo@  
r:V bjmL  
=Oy&f:s  
n3$=&  
规格：像散激光光束 }BM`4/  
:Ob4WU  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 6ZI
Pe~`  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 HjK8y@j  
 d\#yWY  

ouCh2Y/_  
` 1+*-g^r  
W\Pd:t  
N-2#-poDe  
规格：柱形抛物面反射镜 *N$XQ{o  
                         YA@?L
!F  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Xi"9y @  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Mi.2 >  
 曲率半径等于焦距的两倍 oA5Qk3b:  
K{_~W yRF  
sd\}M{U  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） GImPPF  
sP^:*B0  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 UhW{KIW  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ?M'CTz}<\  
 离轴角决定了截切区域 K7C <}y  
(KC08  
规格：参数概述（12° x 46°光束） g"sb0d9  
#tZ!D^GQHq  
   9QP=  
qGag{E5!  
光束整形装置的光路图 BywEoS  
H%m^8yW1  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 U $#^
e  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 hvTc( 0;mB  
x=rMjz-`_  
反射光束整形系统的3D视图 -}TP)/!,*  
P4"BX*x  
'KmM%tN  
Lfx a^0  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 by9UwM=gp  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 =?Ry,^=b  
pWzYC@_W  
详述案例 Mm8_EjMp  
?W ^`Fa)]o  
模拟和结果 gAvNm[=wD2  
4?@5JpC9VA  
结果：3D系统光线扫描分析 +xIVlH9`Q  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 LT{g^g  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 RQ|K?^k v  
]NaH *\q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd I|*<[/)]y  
t@lTA>;U@  
使用参数耦合来设置系统 t_I-6`8o]  
dj084q7  
sifjmNP  
自由参数： dW/(#KP/+  
 反射镜1后y方向的光束半径 *RJD^hu  
 反射镜2后的光束半径 vB7]L9=@"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） -d!84_d9  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 UBv#z&@[  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 )5`^@zx  
n=rmf*,?  
KDg%sgRu}  
HHyN\  
/!&eP3
^  
De$Ic"Z9L  
hHMp=8J7  
自由参数： uAYDX<Ja9  
 反射镜1后y方向的光束半径 s;<]gaonB_  
 反射镜2后的光束半径 :p<:0W2!  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Y"5FK  
 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。 'h&>K,U?5  
+tkm,>s  
#m7evb5eg*  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 N["M "s(N  
j5hQ;~Fa|  
R90chl  
结果：使用GFT+进行光束整形 JvT#Fxjk  
]$)};8;7W  
)MN6\v  
qoQ,3&<  
ak}ke  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 %MtaWZ  
h/aG."U  
s*CBYzOm  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 q2Gm8>F1y.  
IH=%%AS  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 9Z2aFW9  
sN[<{;K4  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 4[r:DM|8  
vKbGG  
B&3@b  
.Pe^u%J6F  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0
}_1ZU  
-oju-gf K  
结果：评估光束参数 )1 0aDTlr  
yaC_r-%U&  
k~Y_%#_  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 pkIJbI{aS  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 O[
}2  
ewYk>  
]x_
14$rk  
 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。 >Co@K^'  
 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） 5zJ#d}%}S"  
d$D3iv^hyx  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd :n}t7+(>U  

,-1taS  
光束质量优化 "X1{*  
<
~5$<L4  
)Vy}oFT\  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 @:u2{>Yl  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 pKL^<'w0  
bu\D*-  
结果：光束质量优化 #0M,g  
rYA4(rYq  
sgeME^v  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 4mWT"T-8  
`yb,z  
P4"EvdV7  
ps]s Tw  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） J$Ba*`~!!  
s9YP =)I  
 0c:jwtf  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd %$(*.o!+8  
#w]:<R^  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 "j+=py`  
~Ywto
 
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 KA{Y*m^7  
6n.C!,Zmn  
I^y,@EHR  
 这意味着参数变化是的正态 cM+s)4TPL  
Z}6H529[  
$Xo_C_:B  
e0u*\b  

Kd,7x'h`E  
 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。 ^,Y#_$oR  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 sJ/?R:  
bX]$S 5c_u  
yu62$d  
WAbt8{$D  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 5eSmyj-W  
=C2,?6!  
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[cZ|+^]  
fN
aS?tV)  
W 7Y5~%@  
;GxKPy  
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。 I_@XHhyVZ  
G8oOFBQD  
总结 U ()36  
sHulaX{  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {e8.E<
f-  
1.模拟 m-No 8)2yA  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 cO !2|v8i  
2.研究 "8Y4;lbN.q  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 U_c.Z{lC4  
3.优化 g"sW_y_O  
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。 p1L8g[\  
4.分析 %t^-Guz  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 H{CG/+x  
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。 `!\`yI$!%w  
NrdbXPHceN  
参考文献 f=Rx8I  
[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). Ey
!+rq}  
m[FH>  
进一步阅读 xTW$9>@\m  
@bj3N  
进一步阅读 mmG+"g$|  
 获得入门视频 7Z/KXc[b  
- 介绍光路图 >;.'$-  
- 介绍参数运行 H`;q@  
 关于案例的文档 cmv&!Egd  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens F+!K9(`|  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens \j]i"LpWb  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing bm_'giQ:  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 4b B)t#  
OXuBtW*,z+  
Rj9YAW$  
QQ：2987619807