[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） :7D&=n)  
%Xh/16X${  
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 as)2ny!u  
^-w:
D  
7e/Uc!&*  
Op,Ce4A  
简述案例 m
}T^rX%m_  
(BVLl
Oo?J  
系统详情 &}nU#)IX  
 光源 ?1?^>M  
- 强象散VIS激光二极管 3Ku!;uo!u  
 元件 '(5 &Sj/C  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） e7t).s)b{  
- 具有高斯振幅调制的光阑 8U/q3@EC  
 探测器 HDIB GG~  
- 光线可视化（3D显示） _YWw7q  
- 波前差探测 sT[)r]`T  
- 场分布和相位计算 RU,f|hB4  
- 光束参数（M2值，发散角） Z_QSVH68A  
 模拟/设计 k sJz44  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 m( C7Fa  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Nb>|9nu O  
 分析和优化整形光束质量 T[N:X0  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >T%Jlj3ZG  
@X>k@M  
系统说明 i5?)E7-  
X1]&j2WR  
 $Tfq9  
模拟和设计结果 5z~Ji77!  
p/:)Z_  
数值探测器结果 =   
g.kpUs  
-OB72!sKU  
D%LqLLD  
@CP"AYB #  
总结 rFM`ne<zh  
<]b}R;9v  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }
;+'  
1.模拟 zid?yuP  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 *#+d j"  
2.评估 GD}3r:wDs  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 'd]9u9u  
3.优化 s24-X1d(9  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 |b;}' *  
4.分析 Tg&{P{$  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Y:^~KS=Uz  
;wbQTp2  
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。 V,<,;d fR  
`=^29LC#  
详述案例 iH9g5G`O  
U)zd~ug?m  
系统参数 r6Lb0PzMf  
q+x4Od3  
案例的内容和目标 P0Ds7xh]h  
WVftLIJ  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Fla[YWS  
vPR1 TMi>  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 &"._%S58V  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Gs7mO  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 i`gsT[JQRX  
?#qA>:2,  
模拟任务：反射光束整形设置 G`R Ed-Z[  
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。 Y`LZ/Tgk  
H #J"'  
*wwLhweQ5W  
:)c >
5  
prlnK  
[p$b@og/>  
规格：像散激光光束 Ve2z= 6(  
%Wom]/&,'  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Nn ?BD4i  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 n #p6i  
[{Fr{La`D'  
(iP,F]  
8doT`rI1  
BtBo%t&  
)"m FlS<I  
规格：柱形抛物面反射镜 6](vnS;  
                         Z%`} `(  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ?fXg_?+{'g  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 FMwT4]y  
 曲率半径等于焦距的两倍 BXa1[7Z  
!
}"npUgE  
tW|B\p}  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） st{:]yTRk  
$P^=QN5Bb  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 P;VR[d4e/  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） j*I0]!-  
 离轴角决定了截切区域 C]WVH\Pp  
YJuaQxs  
规格：参数概述（12° x 46°光束） YM 7P!8Gc  
{Xwin$C  
   z Rz#0  
dDi 1{s  
光束整形装置的光路图 kX'1.<[  
A{>]M@QC2  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 9=rYzA?)+  
 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。 %p/Qz|W  
~NpnRIt  
反射光束整形系统的3D视图 5`^"<wNI  
b=F"  
pA4/'7nCl  
*W(b=u  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 9`{Mq9J  
 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）。 ^dZ,Itho  
4J!1$  
详述案例 xO/44D  
g[8VfIe  
模拟和结果 &4O"Xs`ka  
qlPjz*<h"H  
结果：3D系统光线扫描分析 np=m~k  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 cn<9!2a  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 /%=#*/E7  
*%B%BJnX  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %- %/3  
+ywWQ|V  
使用参数耦合来设置系统 r\@"({q}_-  
2J9eeN  
x[WT)  
自由参数： |g8 ]WFc  
 反射镜1后y方向的光束半径 LMsbTF@E  
 反射镜2后的光束半径 Y +HVn0~qz  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0Yfk/}5  
 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。 N%y%)MI8  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 w V;y]'  
&Radpb2p6  
8 Sl[&  
B^h]6Z/O  
(C6Y*Zm\  
u>k;PUH4  
_32ltnBX  
自由参数： dH?pQ 
 
 反射镜1后y方向的光束半径 j|lg&kN  
 反射镜2后的光束半径 oS_'@u.5  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ot_jG)  
 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。 F b`V.  
pNVao{::5  
HeSnj-mtr}  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 p&vQ*}  
iW*0V3  
=xG9a_^v  
结果：使用GFT+进行光束整形 `+"QhQ4w  
@3VL _g:  
(c(?s`;  
ip1jY!   
(O?z6g  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 U> q&+:+  
_QXo4z!a8  
Ta9;;B?$  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 7yQ r  
YI%S)$  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ;R2(Gb
 
>z[d~  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： b#82G`6r  
:^l*_v{  
"T~Ps$  
+|#:*GZ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !my5-f>{(  
)>TA|W]@  
结果：评估光束参数 >D-$M_  
~x4Y57  
*qz]vUb/0  
 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。 W_iP/xL  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Or_9KX2  
}
$$b6G  
d^lA52X6P  
 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。 K"g[%O<  
 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） K32eZv`T7  
72v 9S T  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Y~Jq!  
Q{$2D&  
光束质量优化 m$@CwQj  
hp>me*vzr  
Nc;7KMOIA  
 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。 F." L{g  
 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）。 :+-s7'!4  
FEdyh?$  
结果：光束质量优化 d]@9kG  
6fkL@It  
E"w7/k#3}C  
 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。 CdEJ/G:  
):.]4n{L  
$
"_D"/*  
+x4o#N  
 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。） 9I pjY~or  
h|jsi*4NnL  
xvrCm`3n@  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd >O?EFd>E  
(# ?~^ut  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 D.\p
7 NJ  
j~L{=ojz%  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 9D 0ujup  
T?%F  
{v2Q7ZO-  
 这意味着参数变化是的正态 UQhfR}(  
85H8`YwPh  
Z7%>O:@z  
-bE{yT)7  
<M 7WWtmx  
 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。 \hm=AGI
0  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ? 8'4~1g`}  
vB#3jI  
K_}vmB\2l  
rZzto;NDS  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ~j8x"  
_#-(XQa  
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） VT-&"Jn  
0iHK1Pt}  
O'j;"l~H|  
NShA-G N5  
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。 VxsW3*`  
BWQ (>Z"  
总结 1_yUv7uhX  
kw1PIuz4&  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 C' ny 2>uA  
1.模拟 :~`E@`/  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 _-&Au%QNJ`  
2.研究 '8dgYj  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 *^QfTKN  
3.优化 E8)C_[QJ`  
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。 FK+jfr [  
4.分析 O </<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 YSeXCJ:Iy  
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。 cMtkdIO  
6rPe\'n=B  
参考文献 N/^r9Nu  
[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). j!jZJD  
|\elM[G"g  
进一步阅读 *4WOmsj  
\N7 E!
82  
进一步阅读 [j-]n#E=9y  
 获得入门视频 8Zwq:lV Q  
- 介绍光路图 HnU}Lhjzj  
- 介绍参数运行 jcevpKkRG  
 关于案例的文档 >#xpg&2x  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens #d__  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens &Du!*V4A  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing |} .Y&1@U  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair ~6{;3"^<  
hPhN7E03  
du`],/ 6  
QQ：2987619807