[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） M"yOWD~s~  
r(JP& @  
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 -Sa-eWP  
Y)DF.ca(  
,@\z{}~v  
C=JS]2W2  
简述案例 5aNvGI1  
/4KHf3Nr  
系统详情 S{N=9934_  
 光源 Z:YgG.z"  
- 强象散VIS激光二极管 ^#U[v7y  
 元件 9K-,#a  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ZP ]Ok  
- 具有高斯振幅调制的光阑 FSYs1Li_C  
 探测器 ,JfP$HJ  
- 光线可视化（3D显示） yYdh+x  
- 波前差探测 +3Z+#nGtk  
- 场分布和相位计算 nK#%Od{GF
 
- 光束参数（M2值，发散角） v ,zD52  
 模拟/设计 mSGpxZ,IE  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 8Z3:jSgk  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： (6&"(}Pai  
 分析和优化整形光束质量 `W.g1"o8W4  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 wV\G$|Y  
X6xs@tgQ  
系统说明 [}dPn61  
FcyFE~>2  
(S2E'L L{  
模拟和设计结果 `cP
ZsL  
t :~,7  
数值探测器结果 @U9`V&])F[  
=,8nfJ+x  
wLNkXC  
jwSPLq%  
G!lF5;Ad`  
总结 HubK  
1\nzfxx
 
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Y(gai?  
1.模拟 @WiTh'w0  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 G!o6Y:1!  
2.评估 ~i!I6d~  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 fNBI!=  
3.优化 ;
te( {u+  
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。 Q:Ma3El\  
4.分析 tlB-s;  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 `26.+>Z7  
v#e*RI2}  
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。 uPE Ab2u="  
>=;hnLu  
详述案例 U>@AE  
P"o|kRO  
系统参数 JP^\  
Ao#bREm  
案例的内容和目标 AnK X4Q  
|>'q%xK  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 |9X2AS Qu  
uh% J  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ^# 4e_&4  
 之后，研究并优化整形光束的质量。
{rn^  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 :#cJZ\YH  
g:@4/+TSt  
模拟任务：反射光束整形设置 |~&cTDd  
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。 .{|SKhXk  
1 1(GCu  
zKp R:F  
<{@D^L6h  
VTY #{  
vP=H 2P  
规格：像散激光光束 H)CoByaj  
Yq4nmr4  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 U@D\+T0  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 57O|e/2  
I zVc  
<N>7.G  
JSmg6l?[u  
MWK)Bn  
rhZp  
规格：柱形抛物面反射镜 H!Dj.]T  
                         Q)lD2  
 有抛物面曲率的圆柱镜 4wGBB{X  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ivB,s5<  
 曲率半径等于焦距的两倍 e+:X%a4\  
|WSpWsr,  
U"oHPK3"TA  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） <0? r# }  
b80&${v  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 *ae)<l3v  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Z^=(9:  
 离轴角决定了截切区域 a .?AniB0  
R&g&BF  
规格：参数概述（12° x 46°光束） LC$M_Cpw  
V?mk*CU  
   }RKsS3}   
g3^:)$m  
光束整形装置的光路图 uH,/S4?X  
s,kY12<7m  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 W~a
|AU8]C  
 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。 wy{
sS}  
XsDZ<j%x89  
反射光束整形系统的3D视图 q&_\A0  
:SWrx MT
 
~b0l?P*Ff  
vK+!m~kDu  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 }2:q#}"  
 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）。 7FD,TJs  
G l2WbY  
详述案例 e@S$[,8  
!&3"($-U3G  
模拟和结果 b\zq,0%  
J!G92A~*]  
结果：3D系统光线扫描分析 Fy!s$!\C0  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 _[i.)8$7  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 5|>ms)[RQ  
uEG4^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd QMmZvz\^  
uFhPNR2l  
使用参数耦合来设置系统 1?3+>  
@<X[,Mj  

(FZ8T39  
自由参数： TU6YS<  
 反射镜1后y方向的光束半径 #$L/pRC  
 反射镜2后的光束半径 6ecx!u
c$  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7y42)X  
 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。 3Zs0W{OxU  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 B1s&2{L6K  
%e)vl[:}  
>Q^ mR  
Z_<NUPE  
xj&~>&U){;  
\ bWy5/+  
rj
4Mq:pJ  
自由参数： l0qHoM,1Y[  
 反射镜1后y方向的光束半径 +lZ-xU1  
 反射镜2后的光束半径 c* ~0R?  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） VS>hi~j  
 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*{dSm9b  
2']0c z  
Raetz>rL  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 k>8OxpaWv?  
t6kLZ  
|u$*'EsP  
结果：使用GFT+进行光束整形 oL }d=x/  
k6Vs#K7a  
zQt)>Qx_  
AW9%E/{  
!vc5NKv#n  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 /R?*i@rvf  
45iO2W uur  
h.Sbds  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 3,{;wJ Z  
qoZAZ&|HI  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 K|6}g7&X  
[nX{sM%  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： x^Qij!mB%  
u:J4Az^!  
^h#A7 g  
cIkA ~F  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd #BS!J&a  
)cZ KB0*+  
结果：评估光束参数 f`\J%9U_O  
mz;ExV16  
Z/v )^VR  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 k<f0moxs'  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 sk0/3X*Q%  
gh"_,ZhZt  
zJ ;]z0O  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 sk~7"v{Y.  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） IF//bgk-  
XuZgyt"=r  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 0TICv2l!  
4j i#Q  
光束质量优化 (4`Tf*5hHa  
R iV]SgV9  
73tjDO7d  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 @cm[]]f'l  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 !VrBoU4<d  
c\tw#;\9  
结果：光束质量优化 ?6I`$ &OA  
rfZg  
a<+Rw{  
 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。 5`
K'2  
,c;#~y  
6G-XZko~a  
U^-J_yq  
 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。） pH@yE Vf  
v{\~>1J{  
$Df1t  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd JKCV>k  
MzlE  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 fKuaom9  
<!|=_W6  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 }2Im?Q  
DAEWa Kui  
Xa&:Hg<  
 这意味着参数变化是的正态 +ZBj_Vw*|  
v57Kr ,  
l?;ReK.r  
>4#\ U!  
g)MLgjj  
 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。 /`O'eH  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 j{zVVT  
0nlh0u8#  
DFGgyFay  
icK U)  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run rj5)b:c}  
[Kbna>`  
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） SC2g5i`  
Ew9MWlk  
\nQEvcH  
)9!ZkZbv_m  
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。 M49Hm[0(  
q#Ik3 5  
总结 %g4)f9>  
OQT i$2  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 2L1Azx  
1.模拟 <R#:K7>O  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 &0-Pl.M  
2.研究 e9B$"_ &2  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9AQ2FD  
3.优化 6M8(KN^  
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。  +!wkTrV  
4.分析 ZJ_P=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 T9'5V@  
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。 HMR!XF&JjC  
GuJIN"P]  
参考文献 xtp55"g  
[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). UX'tdB !A  
yXc@i)9w3  
进一步阅读 m$q*  
.MRLAG  
进一步阅读 .GPuKP|  
 获得入门视频 h
^b=  
- 介绍光路图 sZU Ao&  
- 介绍参数运行 VU|Cct&)  
 关于案例的文档 DAd$u1  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens w;^7FuBaC  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Cd7d-'EQn  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing h'
G8@j;  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair Z7R+'OC  
OKzk\F6  
Tk4"qGC.  
QQ：2987619807