[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） #zgO_H  
mQt0?c _  
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 3=?,Dv0P  
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TU nP  
*6][[)(  
9Y:.v@:}0  
简述案例 Gh6U<;V?*  
X]2x0  
系统详情 JoG(Nk
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 光源 Rxr?T-  
- 强象散VIS激光二极管 BbCW3!(  
 元件 N_FjEZpX  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） M@G\b^"  
- 具有高斯振幅调制的光阑 (]?M=?0\  
 探测器 JbitRV@a  
- 光线可视化（3D显示） x1Z'_Qw  
- 波前差探测 6~>h;wC  
- 场分布和相位计算 hW~
UJ/$  
- 光束参数（M2值，发散角） 4\ElMb[]  
 模拟/设计 A|4 3W=  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 (["V( $  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： )Pc>+}D  
 分析和优化整形光束质量 x&JD~,Y  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 YUTh*`1k<  
6wbH{}\ll  
系统说明 9GT}_ ^fb  
2dB]Lw@s  
Wwr  
模拟和设计结果 B>I:KGkV  
u|\?6fz  
数值探测器结果 <gFisc/#r  
?|_i"*]l  
={]POL\ A  
1`s^r+11:  
j B1ZF#  
总结 Lr d-  
>o3R~ [  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 OwNo$b]h`  
1.模拟 f)Y~F/[$P  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 v>mK~0.$  
2.评估 %h,&ND  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 +!:=Mm  
3.优化 +M#}(hK  
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。 Eg}U.ss^  
4.分析 /2*BdE[yG  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ^B}q@/KV  
H?ug-7k/  
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。 M '%zA;Wl  
 M_%c9g@x  
详述案例 a2]ZYY`R7  
0S&J=2D!  
系统参数 G^.tAO5:f  
YdIZikF#  
案例的内容和目标 0V86]zSo  
SXE@\Afj  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 fz8 41 <Y  
x&
+&)d  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ;n|%W,b-  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 .LnknjC  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ,)TnIByM  
9HPwl

  
模拟任务：反射光束整形设置 MR5[|kHJT  
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。 ~J5B?@2hK  
]Wjcr2Wq  
m],.w M8  
Nz*,m'-1e  
f87XE";:A  
h
M>.xr  
规格：像散激光光束 1{a4zGE?[  
DWCf+4  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Oz&*A/si+3  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 vCK+v r!  
PRFl%M.H`  
ufw[Ei$I:  
.yD 6$!6  
Y}Dk>IG  
d%nX;w,   
规格：柱形抛物面反射镜 }*C  
                         X8R:9q_  
 有抛物面曲率的圆柱镜 %XZhSmlf
 
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 m~P30)  
 曲率半径等于焦距的两倍 .j>MsQP#\C  
|B'4wF>  
<%rm?;PBl  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） _%\%  
;mG
PX~38  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 PDz:x4A  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） _Y}cK|3  
 离轴角决定了截切区域 TiG?r$6v%  
M`@ASL:u  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 5~im.XfiVx  
~_F;>N~  
   &@BAV
c z  
EwuRIe;D  
光束整形装置的光路图 4sBvW  
WiQVZ{  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 2+C:Em0yI  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 fOdqr  
dxH\H?NO  
反射光束整形系统的3D视图 .5s^a.e'O  
/(u? k%Q  
C~"UOFX  
V\e1NS  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 &5z9C=]e  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 cu'(Hj  
iWFtb)3B  
详述案例 :xbj&
l  
@3=q9ftm  
模拟和结果 Dsc0;7~6  
rwio>4=  
结果：3D系统光线扫描分析
"9"  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ~Lg ;7i1L  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 B*Om\I  
".N{v1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd V}7)>i$A  
v&d'ABeT  
使用参数耦合来设置系统 R?/xH=u>  
h|`R[  
[u^ fy<jdp  
自由参数： l]Xbd{  
 反射镜1后y方向的光束半径 A"s?;hv\fS  
 反射镜2后的光束半径 ur=:Ha  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4`fV_H.8  
 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。 @uN+]e+3  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 _8F;-7Sz  
F< 5kcu#iL  
KK4e'[Wf  
sDTw</@  
#3{}(T7  
Q-#<{' (  
;*9<lUvu  
自由参数： J7aYi]vI  
 反射镜1后y方向的光束半径 5JK'2J&  
 反射镜2后的光束半径 #Ufb  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 9^`cVjD5  
 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。 {D :WXvI  
kdx06'4o  
2Oyw#1tdn  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 +RR6gAma}<  
05\0g9  
}u$c*}  
结果：使用GFT+进行光束整形 i+< v7?:`#  
f\Hw Y)^>  
&(l.jgqg&  
\*qradgx$  
PApr8Xe  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 $sg-P|Wo  
d#$Pf=}  
e
6tU8`z  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 PYs0w6o  
1OMaY5F  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 % WXl*  
K`uPPyv
 
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： X&5N89  
9(}d7y  
O;McPw<&\:  
P2iuB|B@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 9IrCu?n9b  
gzH;`,  
结果：评估光束参数 *B{
]  
eY^zs0  
x?u@ j7[  
 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。 ;;XY&J
 
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ^`aw5 +S  
?p 4iXHE  
s'l|Ii  
 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。 llh +r?  
 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） kTT%< e  
u*u
HdV5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd nnE'zk<"  
LjW32>B  
光束质量优化 
V EsM  
G|-RscPe  
c9Cc%EK  
 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。 *)I^+zN  
 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）。 ].aFdy  
G/fBeK$.  
结果：光束质量优化 F^%\AA]8  
K3h7gY|.  
G,^ ?qbHg  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 W?P4oKsql*  
rUyGTe(@h  
QJiH^KY6  
#2:?N8vz*  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） <|X+T,  
(18ZEKk  
qp#Euq6  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd hu"-dT;4]  
C"0 VOb  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 f?GoBh<  
/-^J0f+l3  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 sKR%YK "A  
,3MHZPJ?k]  
3$:F/H  
 这意味着参数变化是的正态 "iX\U'`  
a MFUj+^  
/YJBRU2  
;pOV; q3j  
5=p<"*zJ  
 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。
AGS(ud{  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 BI*0JKQu  
B^zg#x#8  
G973n  
IuAu_`,Ndi  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run )8}k.t>'s  
&?5)Jis:  
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） ya^8mp-  
%Ny1H/@Q1+  
Le bc@,  
K]M@t=  
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。 /kRCCs8t}  
.HqJ)OH  
总结 &sBD0R(a  
v.TgB)  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 *mWl=J;u  
1.模拟 LN<rBF[_:f  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 U#iW1jPE2  
2.研究 ]>k8v6*=  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Q!=`|X|:  
3.优化 bT T>  
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。 Xppb|$qp4H  
4.分析
ev+H{5W8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 )Td{}vbIh  
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。