[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） "?apgx 6  
#yW.o'S+  
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 %55@3)V8Rf  
9$7&URwSDI  
&w+;N5}3  
TZ?Os4+  
简述案例 ecr886  
XB0a dp  
系统详情 u~s Sk  
 光源 $/u1chf  
- 强象散VIS激光二极管 `J72+RA  
 元件 ?h/xAl  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 8YNu<   
- 具有高斯振幅调制的光阑 =%!e(N'p  
 探测器 9mam ~)_ |  
- 光线可视化（3D显示） ^vJ"-{  
- 波前差探测 LmP qLH'(Q  
- 场分布和相位计算 gks ==|s.  
- 光束参数（M2值，发散角） Z+g1~\  
 模拟/设计
8RVS)D''  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 =EQJqj1T  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： l0I}&,+  
 分析和优化整形光束质量 Y
4d3n  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 {@?G 9UypA  
_@Y"$V]=Vt  
系统说明 !)N|J$FU  
p8Iw!HE  
yQ9ZhdQS  
模拟和设计结果 rah,dVE]  
!lAD q|$  
数值探测器结果 _5mc('  
Z1M>-[j
)  
!=3Rg-'d1  
r!7Y'|  
cB#nsu>  
总结 \#CM <%  
?>af'o:  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Br}h/!NU/  
1.模拟 -D^L}b  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 6R`Oh uN.>  
2.评估 I]h-\;96  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 h4/X 0@l`  
3.优化 mLwoi!]m  
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。 [8"ojhdV  
4.分析 LOr|k8t
L%  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 #O~XVuvF0  
cq*=|m0}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。 IS BV%^la|  
Bn?:w\%Ue  
详述案例 m 41t(i  
{^5?)/<  
系统参数 #]9hTa IR  
mffIf1f  
案例的内容和目标 -I":Z2.fR  
6 {}JbRNf  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 k;I &.H  
][d,l\gu+s  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 =p@8z /u  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 '7*=`q{  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 iEIg
:  
|%1?3Mpn  
模拟任务：反射光束整形设置 Ri#H.T<'  
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。 
1f#mHt:(  
[Il~K  

wvMW|  
QvLZg  
@]HXP_lyD/  
5,pSg  
规格：像散激光光束  U4
7}QDh  
8' K0L(3[  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 3= -pG  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 &\C [@_  
R}:KE&tq  
s%pfkoOY%  
k+^'?D--'P  

&|Pu-A"5~  
!k&Q
5s:  
规格：柱形抛物面反射镜 ZJ,cQ+fn  
                         HKO739&n}  
 有抛物面曲率的圆柱镜 CO?Xt+
1hR  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Ucdj4[/,h  
 曲率半径等于焦距的两倍
%7hB&[ 5  
2Y!S_Hw8  
?BA^YF  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ($nrqAv4  
vuQ%dDxI  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 |=a}iU8  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） jJZgK$5+  
 离轴角决定了截切区域 J;$N{"M  
"xRBE\B
 
规格：参数概述（12° x 46°光束） *&Lq!rFS  
BV`-=wRC  
   7piuLq+  
;z~n.0'  
光束整形装置的光路图 [&?8,Q(  
sj?3M@l95W  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 j2l55@  
 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。 JRMM?y  
'R<&d}@P*#  
反射光束整形系统的3D视图 z*$q8Z&7rg  
Q7X3X,  
SLfFqc+n0  
>wHxmq8F5<  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Va V
N  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 u{N,Ib 8  
I zbU)ud  
详述案例 {%2vGn  
F0vM0e-  
模拟和结果 kql0J|P?  
)vg5((C  
结果：3D系统光线扫描分析 P|tNL}2`;  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Wo~vhv$E  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 vIl+#9L0  
 7R#+Le)  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .`<@m]m-  
z7M_1%DEx  
使用参数耦合来设置系统 wkqX^i7ls  
38DT2<qC  
f h#C' sn  
自由参数： sVk$x:k1M  
 反射镜1后y方向的光束半径 mI*[>#q>  
 反射镜2后的光束半径 !o=U19)  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） r0d35
 
 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。 |tR
OL9b  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 rNjn~c  
-Y Bd, k3  
zA+~7;7E  
Ghl'nqPlm  
.h&k jD  
pD]0`L-HJU  
I1oje0$  
自由参数： HHX-1+L  
 反射镜1后y方向的光束半径 u]u[(K5F  
 反射镜2后的光束半径 @';B_iQ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 1&;QyTN  
 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。 -/{4Jf Wf  
f7h*Vu`>  
PHA-9\jC{  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 J_Ltuso  
kn)t'_jC  
:1t~[-h^  
结果：使用GFT+进行光束整形 Q#h 9n]5  
Xc"&0v%;#  
%sHF-n5P  
U9D!GKVp  
\AL f$88>@  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 <E\$3Ym9  
5JEbe   
'1
3ZX:  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 sY?,0T_m  

HV6f@  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 3^s/bm$
g  
D]c`B  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： z'uK3ng\hH  
U=hlu  
moP,B~  
8 k3S  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd n,B,"\fw  
Z|%_oR~b|  
结果：评估光束参数 EkGQ(fZ1|  
Ut$;ND.-  
nqwAQhzy(  
 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。 o9cM{ya/>  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ui(^k $  
3%.#}O,(  
Gmf B  
 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。 el:9wq  
 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） dCj,b$  
`--TP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd K&8dA0i2u2  
3O7!`Nm@  
光束质量优化 _`64gS}^  
sKlDu  
BD`2l!d  
 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。 L%>n>w  
 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）。 t3dlS`O  
t|~YEQ  
结果：光束质量优化 +3KEzo1=)  
0P\$2lk  
detwa}h[0  
 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。 B'^:'uG  
6xD#?  
O(+phRwJ  
5uxBK"q  
 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;^(/1Mc  
?_I[,N?@41  
765p/**  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 4.IU!.Uo  
#>j.$2G>  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 6;|n]m\Vd  
MNSbtT*^  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 irN6g#B?  
Yv:55+e!|  
bf9a1<\  
 这意味着参数变化是的正态 :O(^w}sle  
=zyC-;r!  
PssMTEf  
c+
2FC@q{l  
gks{\H]  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 /% kY0 LY  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 JGuN:c$  
`F/Tv 5@L  
/~^rr f  
92^w8Z.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run e^O(e  
jAud {m*T  
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）
F$[ U|%*  
%rxO_  
T8^5=/  
E8-P"`Qba  
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。 lGVEpCS}  
4fe7U=#;Y  
总结 3;a<_cE*@  
$ aUo aI  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 HeG)/W?r  
1.模拟 hcyM6:}  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 7e<c$t#H  
2.研究 mW:!M!kk  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 z`\F@pX%wC  
3.优化 x:QgjK  
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。 Z ,EvQ8i  
4.分析 G_SG  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 lEV]4 t_H  
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。 ,u/aT5\_  
@WI2hHD  
参考文献 hiUD]5Kp  
[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). yR4|S2D3xn  
;6!Pwb;hY  
进一步阅读 kV38`s>+  
^.>jGI%rB  
进一步阅读 /RMPS. d {  
 获得入门视频 eQ&ZX3*}  
- 介绍光路图 HcqfB NM  
- 介绍参数运行 $H-!j%hV  
 关于案例的文档 [/X4"D-uOK  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens AGbhJ=tB
 
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens AW,53\ 0  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 6qaulwV4t  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair Jm42b4  
>ss/D^YS  
:duo#w"K  
QQ：2987619807