[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） nUL8*#p-  
do:3aP'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 S>o
Qm  
0V&6"pF_Y'  
MWS=$N)v*  
q! +?  
简述案例 k-b0Eogp]  
fQ^45ulz  
系统详情 \666{.a  
 光源 y0R5YCq\":  
- 强象散VIS激光二极管 t9zF WdW  
 元件 BQol>VRu  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） , LP |M:  
- 具有高斯振幅调制的光阑 5Y\wXqlY  
 探测器 QJaF6>m  
- 光线可视化（3D显示） :Q\{LBc  
- 波前差探测 nSL x1Q  
- 场分布和相位计算 X~O2!F  
- 光束参数（M2值，发散角） :-=,([TJ  
 模拟/设计 'ju{j`b  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 2<*DL6  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： { L(Q|bB  
 分析和优化整形光束质量 *jps}uk<  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 <xm>_~,w  
j zaC  
系统说明 :n:Gr?  
(bIg6_U7\  
4&Uq\,nx  
模拟和设计结果 ]Y'oxh  
fXPD^}?Ux4  
数值探测器结果 F]hKi`@  
pr2b<(Pm  
5y
. n  
I$o^F/RH  
,1"w2,=  
总结 &J)q_Z8  
idLysxN  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 F j_r n  
1.模拟 R0R
 Xw  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 'Jb6CRn  
2.评估 Nj2f?',;U  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 f&w8o5=|I  
3.优化 (Yzy
;"iAu  
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。 =|lK
B;  
4.分析 g.v)qB  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 qHGXs@*M&  
P&@:''  
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。 17Q1Xa  
V[R33NYG  
详述案例 u.wm;eK[  
1sL#XB$@N  
系统参数 '2u(fLq3h  
bqwQi>^Cw  
案例的内容和目标 HSk gS  
I*/?*p/I  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ]&za^%q0&  
b_&;i4[  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 yJx{6  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 5:mS~  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ({#9gTP2b  
yub|  
模拟任务：反射光束整形设置 (R_#lRaQ  
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。 2\flTO2Ny  
6&o9mc\I  
m_Owe/BC#m  
3siWq9.  
W+[XNIg5   
`C~RA,M  
规格：像散激光光束 -c-#1_X5  
EG<YxNX,  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 W]!{Y'G  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 V[<]BOM\v  
&Q>)3]|p  
D-8NDa(`  
C9-IJj  

 (f DA  
MTZbRi6z  
规格：柱形抛物面反射镜 " gB.  
                         N=J$+  
 有抛物面曲率的圆柱镜 p`// *gl  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ;=IC.<Q<}  
 曲率半径等于焦距的两倍 KX e/i~A
S  
S/}6AX#F4  
7\sJ=*  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） nJJ9>#<g$  
l MCoc'ae  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 W+ tI(JZ  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） (?SK< 4!  
 离轴角决定了截切区域 6Q<^,`/T  
Qp{gV Ys  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 3.q%?S}*  
4q"x|}a  
   MWv_BXQ  
6"^Yn.  
光束整形装置的光路图 F+A"-k_\T#  

UGuEZ-r  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 TrxZS_  
 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。 K!/"&RjW.  
AV
0m
31b  
反射光束整形系统的3D视图 q\Cg2[nn2  
x`@!hJc:[e  
^,L vQW4  
csg:#-gE  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 z=TaB^-)  
 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）。 p[BF4h{E  
l4+!H\2  
详述案例 (are2!Oq  
w9I7pIIl  
模拟和结果 <rUH\z5cP  
ZV}"k_+-  
结果：3D系统光线扫描分析 1:<=zqh0  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 y2k'^zE  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 `}:q@:%  
,1'9l)zP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +TW9BU'a^  
SVsLu2tVY  
使用参数耦合来设置系统 uGm~ Oo  
m,nZrap  
m1x7f%_  
自由参数： 'Eds0"3  
 反射镜1后y方向的光束半径 " , c1z\  
 反射镜2后的光束半径 4`lt 4L  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ;K<e]RI;?  
 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。 5b X*8H D  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Bw-<xwD  
y+f@8]  
m+p}Qi8i)  
:0,q>w  
jf0D  
CZB!vh0  
;-p1z% u  
自由参数： }:u" ?v=|j  
 反射镜1后y方向的光束半径 7%?2>t3~  
 反射镜2后的光束半径 B6)d2O9C  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +jzwi3B`  
 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。 V4cCu~(3;~  
n>]`8+a~%X  
} ).rD  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 )1Rn;(j9Re  
z@\C/wX  
[.\uHt  
结果：使用GFT+进行光束整形 Q!DH8'|4?L  
Wyu$J  
P7GuFn/p~2  
UhuEE  
C?@vBM}  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 yl
|?+  
)N[9r{3  
6?y<F4  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 C/Vs+aW n  
([~9v@+  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Il(p!l<Xz#  
*Ag</g@ h  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： .?7u'%6x?{  
\l^L?69  
nn>1OO  
,~^0AtLv  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4W7  
H/8H`9S$  
结果：评估光束参数 :s8^nEK  
; MU8@?yN  
uC{qaMQ  
 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。 .!uXhF'  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ^mWOQ*zi;  
*^j'G^n  
o&]b\dV  
 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。 [RtTi<F^  
 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） 6&8([J  
l ;"v&?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd VO#x+u]/  
@tQu3Rq@  
光束质量优化 l,cnMr^.W  
8U,VpuQ:  
4.7YIM  
 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。 0V*B3V<  
 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）。 YyOPgF] M  
/Y=Cg%+  
结果：光束质量优化 B/"TaXVU  
>*jcXao^  
8<
BYAHY^  
 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。 WZz8VF  
><<(6  
,;3#}OGg  
a?Q\nu1  
 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。） }xZR`xP(  
=T_E]>FF9  
gc~nT/lfK  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Y0nnn  
+tsF.Is!t  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 5^kLNNum  
Swugt"`nN  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ZJL8"(/R  
7Mx F? I  
>
Z0F n  
 这意味着参数变化是的正态 #G</RYM~m  
_=,\uIrk  
71euRIW'5  
m9yi:zT%  
UoDS)(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。 Ew`(x30E  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 GnAG'.t-Z  
'G] P09`*)  
g]kM7,/M  
g.L~Z1-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ^HS;\8Xvb  
12{F  
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） X#;n Gq)5  
U.XvS''E  
.bdp=vbA  
VO"/cG;]*  
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。 r"E%U:y3P  
|nOqy&B  
总结 7rIz  
.AB n$ml]  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ;_$Q~X  
1.模拟 5OHg%
^  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 *}F>c3x]  
2.研究 `'W/uCpl  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 aPU.fER  
3.优化 BZJ\tPSR  
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。 ko-3`hX`  
4.分析 /,C;fT<R  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 h#hx(5"6  
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。 9Wu c1#  
Y"{L&H `  
参考文献 q fc:%ks2  
[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). mS$9D{  
<K g=?wb  
进一步阅读 Fb2,2Px  
]|JQH  
进一步阅读 ;C^!T  
 获得入门视频 ^"dVz.  
- 介绍光路图 lF*}l  
- 介绍参数运行 eeVDU$*e=  
 关于案例的文档 lpq)vKM}^  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens %>p[;>jW  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens QJ i5H  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 7`s* {  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair O'Mo/ u1-  
Fe[)-_%G  
!Y8+Z&^2  
QQ：2987619807