[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） xjbI1qCfe  
t;VMtIW+E  
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 ~/K&=xE  
rtz-kQ38R  
WUie`p  
,4xNW:!j  
简述案例 i*N2@Z[  
=t-Ud^3  
系统详情 i4D]>  
 光源 ,dQ*0XO!  
- 强象散VIS激光二极管 e8 ]C
B  
 元件 m<3. X"-  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 5*Zz_ .  
- 具有高斯振幅调制的光阑 "r@#3T$  
 探测器 wsB-( 0-  
- 光线可视化（3D显示） \A\  
- 波前差探测 m}?jU  
- 场分布和相位计算 drjNK!XL@  
- 光束参数（M2值，发散角） p1niS:}j  
 模拟/设计 & n@hD7=(  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 A'jL+dI.  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 1
8%$Z$K,  
 分析和优化整形光束质量 ;W5.g8  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ,^c-}`!K  
7=fNvES2  
系统说明 q!0HsF  
[DjlkA/Zg  
H4 O"^#5  
模拟和设计结果 B">Ko3  
=p[Sd*d  
数值探测器结果 $m5Iv_  
Kn$E{F\  
z.
hq2v  
|khFQ(  
:* |WE29U  
总结 OCdX'HN5Y  
U~yPQ8jD  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 igTs[q=Ak  
1.模拟 -!~pa^j  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 *y<eK0  
2.评估 h#UPU7;  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 OjffN'a+N  
3.优化 "})OLa  
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。 y{(Dv} 
 
4.分析 \PN*gDmX  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 a+v.(mCG  
g/$RuT2U  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 z[[qrR  
3'L =S  
详述案例 ? }ff O  
~u0<c:C^  
系统参数 Y]6dYq{k  
&k*oG:J3  
案例的内容和目标 8v/,<eARJ  
mnZfk  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 b
(HJ|  
bydI+pVMo  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 au=@]n#<(  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 s^PsA9EAn  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ,tZL"  
8H};p
u2  
模拟任务：反射光束整形设置 I+Yq",{%  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 !}x-o`a5  
FU*q9s`  
45-x$o  
&QQ6F>'T  
ODRy  
$rQ7"w J  
规格：像散激光光束 TEer>gD:v  
{ **W7\h  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 &%(Dd  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 I4
qS8~+#  
PpLhj  
FnOahLS  
1)97AkN(O  
e+#k\x   
By[M|4a  
规格：柱形抛物面反射镜 /ioBc}]  
                         W4P\HM>2  
 有抛物面曲率的圆柱镜 k]-Q3V  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 `DG
I|3  
 曲率半径等于焦距的两倍 7$0bgWi  
"ig)7X+Wz|  
g 6?y{(1  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） #Ddo` >`&  
k=p[Mlic/  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 V#Y"0l+~  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） * _usVg  
 离轴角决定了截切区域 B )\;Ja  
qOQ8a:]?  
规格：参数概述（12° x 46°光束） rN.8-  
icVB?M,m  
   gCRPaF6  
iM1E**WCtv  
光束整形装置的光路图 3H>\hZ  
L"c.15\  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 F4V) 0)G  
 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。 ]sP  
5}5oj37x  
反射光束整形系统的3D视图 vq3:N'  
FH%:NO  
h'vBWtMa  
mL#$8wUdt{  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 X4'!:&  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 F]N?_ bo  
h^,L) E  
详述案例 Wi\k&V
.mE  
P,G :9x"e  
模拟和结果 Y>8JHoV  
]70ZerQ~L  
结果：3D系统光线扫描分析 oxnI
/Z  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 tK#/S+l  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 -~_|ZnuM9  
Ut/%+r"s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /&czaAR-  
P_p\OK*l]o  
使用参数耦合来设置系统 d}|z+D  
{+5Ud#\y  
UbIUc}ge  
自由参数： ?V~vP%1  
 反射镜1后y方向的光束半径 &?xtmg<d  
 反射镜2后的光束半径 /74h+.amg  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） X -=M>H^  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 Gv#bd05X  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 m9DTz$S.  
]vV)$xMX  
x",ktE>9  
#2Vq"Zn  
w7q6v>  
zyP/'X_~:  
,S`FxJcE  
自由参数： ~oK0k_{~  
 反射镜1后y方向的光束半径 +nB0O/m'U  
 反射镜2后的光束半径 23'{{@30  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） $Tt.r  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 {(tR<z)  
sint":1FC  
kaIns  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 =@h
Cc  
*.D{d0A  
.*W7Z8!e  
结果：使用GFT+进行光束整形 !\Cu J5U  
,R7j9#D  
Zn
uRy:  
MJH>rsTQ  
7A$mZPKh  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 q['3M<q  
zF? 6"  
6o(.zk`d  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 J*:_3Wsy  
 b=Ektq  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 %503<j  
[T/S/@IT  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 7Xh @%[   
<QaUq`,  
7:JGrO  
9JILK9mVO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4/ q BD  
O9ro{ k  
结果：评估光束参数 e(&u3 #7Nn  
+Ll29Buyi  
yWT1CID  
 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。 qa8?bNd'f  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 &wu1Zz[qcz  
3.ShAL  
gnb+i`  
 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。 #i.BOQxS  
 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） uI9+@oV  
R'atg 9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd GyFA1%(o  
G_ ~qk/7mF  
光束质量优化 pY%KI  
{FILt3f;  
V;Ln|._/t  
 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。 VrhHcvnZ  
 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）。 (VHPcoL  
)}_}D+2  
结果：光束质量优化 {Dy,u%W?  
"st+2#{  
g~9b_PY9  
 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。 ^bdXzj
f  
qn}VW0!  
&Rz-;66bN  
^\yz`b(A0  
 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。） Nm%#rZrN~Q  
7pnlS*E.  
[?$tu%Q(Z  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 6 lEv<)cC  
M@*Y&(~  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 I'2I'x\M  
#)S&Z><
<  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 fZnq5r
Tk"  
#60gjHYaV  
t23W=U  
 这意味着参数变化是的正态 QWC C  
$ma@z0%8}  
:}gEt?TUhs  
)%8st'  
VT#`l0I}  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 xv%]g=Q  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 TDy$Mv=y  
2zX9c<S=5  
Ufor>  
^B7Ls{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run [O]rf+NZ(5  
u1.0-Y?  
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） :$P1ps3B  
gp'k(rGH  
Np$ue }yr  
:C={Z}t/F  
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。 `/B+  
J5xZLv  
总结 ^^a%Lz)U  
IaO&f<^#o  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 vCOtED*<  
1.模拟 k6RH]Ha  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 .%M8
0X{5~  
2.研究 _C|j"f/}  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 m)r,  
3.优化 G%K&f1q%  
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。 s={IKU&m[  
4.分析 b+$wx~PLi  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 .4<lw  
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。 T?tZ?!6  
!>GDp>0  
参考文献 BD]o+96qP  
[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). [b~+VeP+p4  
f=8{cK0j  
进一步阅读 {7_C|z:'p&  
kD)]\  
进一步阅读 \}YAQ'T  
 获得入门视频 |M18/{  
- 介绍光路图 +NeoGnj  
- 介绍参数运行 J90 )v7  
 关于案例的文档 82o|(pw  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens nu2m5RYx  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens \+x#aN\  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing w")m]LV  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 10N0?K"  
^a1k"|E?f  
[Ov/&jD"  
QQ：2987619807