[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） l2P=R)@{  
'y3!fN=h  
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 MFAH%Z$  
';=O 0)u  
<<R*2b  
r|Tcfk]%  
简述案例 KNIn:K^/  
Da&]y
 
系统详情 }d}Ke_Q0  
 光源 5S--'=fu+  
- 强象散VIS激光二极管 7Da`   
 元件 b?QoS|<e?  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） _8_R 1s  
- 具有高斯振幅调制的光阑 &@Be2!%'9K  
 探测器 'u |c  
- 光线可视化（3D显示） -:y,N 9^  
- 波前差探测 <;Zmjeb+#  
- 场分布和相位计算 9e,0\J  
- 光束参数（M2值，发散角） [}0haTYc4  
 模拟/设计 -fHy-Oh  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Y^EcQzLw  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： zsyIV!(  
 分析和优化整形光束质量 }oGA-Qc}B  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 "]b<uV
  
FSW_<%  
系统说明  DwE[D]7o  
)"aV* "  
9H`XeQ.  
模拟和设计结果 XG{zlOD+  
CD( :jM?  
数值探测器结果 Doyx[zZ  
"8jf81V*  
8(&[Rs?K  
\B,@`dw  
0Y{yKL  
总结 9c,'k#k  
My[pr_xg  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Ata:^q
I  
1.模拟 8_B4?` k  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 9} M?
P  
2.评估 }"%?et(  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 3E
$f)  
3.优化 =BAW[%1b  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 kr
:^tbJ  
4.分析 :C
s4NF   
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Ep3N&Imp  
J({Xg?  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 lKp"xcAD  
PB`Y g  
详述案例 {~"/Y@&]R  
/,&<6c-Q@W  
系统参数 qCpp6~]Um  
9YQb&  
案例的内容和目标 1.{z3_S21:  
O6a<`]F  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 <?}-$  
<~'"<HwtK  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Pz|>"'  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 A,hJIe  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 QIvVcfM^  
sn$9Shgh  
模拟任务：反射光束整形设置 )SRefW.v  
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。 bj0G5dc=  
m6&~HfwN  
?;+1)>{  
yyRiP|hJ  
lN?qp'%H`  
>j(_[z|v3  
规格：像散激光光束 ~>Fu5i $i  
OXSmt DvJ  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 l%puHZ)t  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 %D}kD6=  
(%e.:W${  
_j/<{vSy  
JG!m
c7  
*
,8^@(th  
mD0f<gJ1  
规格：柱形抛物面反射镜 7>Ouqxh21  
                         [OV"}<V  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ;F!5%}OcL%  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 &5spTMw8  
 曲率半径等于焦距的两倍 }{qZ[/JwqN  
[.'|_l  
2"kLdD  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） N~d?WD\^  
OgQV;at  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ZaDyg"Tw+  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） { MSkHf=  
 离轴角决定了截切区域 B^Nf #XN(  
eJVjuG  
规格：参数概述（12° x 46°光束） }=UHbU.n~!  
6]_pIf  
   #!qm ZN  
^aMg/.
j  
光束整形装置的光路图 lL3khJ:%  
'(VJ&UlS2  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 oMD>Ywc-
 
 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。 Lh"<XYY  
pV +|o.<C  
反射光束整形系统的3D视图 {3p4:*}  
]Svt`0|}  
YTX,cj#D^&  
*,)Md[  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 .hP D$o  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 G5RR]?@6V  
axRV:w;E<  
详述案例 z^q0/'  
VT%NO'0  
模拟和结果 TJpD{p}  
OwUhdiG  
结果：3D系统光线扫描分析 Ar|0b}=)>  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 vNY{j7l/W  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 %@ODs6 R0  
fue(UMF~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd gX}8#O.K$  
N/'b$m5= S  
使用参数耦合来设置系统 '&R2U_  
?|C2*?hZ+  
k>Vci{v  
自由参数： u+e{Mim  
 反射镜1后y方向的光束半径 "a>q`RaIQ"  
 反射镜2后的光束半径 +I:Unp  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） B6nX$T4zP  
 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。 vq0Tk bzs  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 z'U1bMg  
6V:U(g  
r1m]HFN  
S6M}WR^,  
)?naN  
eIEeb,#i  
E *6Cw l  
自由参数： qI9z;_,gNz  
 反射镜1后y方向的光束半径 IH&|Tcf\  
 反射镜2后的光束半径 >`mVY=Hi  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _LUhZlw  
 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。 @R"JW\bd  
sPQQ"|wU  
I-)+bV G  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 GPv1fearl  
sA/D]W.P  
x8\?}UnB  
结果：使用GFT+进行光束整形 DE8n+Rm  
YQ)kRhFA  
Uh4%}-;  
Jk11fn;\>  
*NaB#;+|k`  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 &|ex`nwc0  
Jbg/0|1  
t?&|8SId  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 1..+F0U  
9Cp-qA%t  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 *3FKt&v 0  
vjCu4+w($Z  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Zw9FJ/Zn@  
8)3*6+D  
"5!oi]@>(  
|\t-g"~sN  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *?>T,gx}  
CL;}IBd a  
结果：评估光束参数 uEP*iPLD@  
D& i94\vVa  
4G0m\[Du  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 |4zIfAO  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 yNo0ubY  
>J?fl8  
@)M9IOR  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 [Ek7b*  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） QXFo1m  
$G+@_'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd  vF+7V*<  
]Sz:|%JP1  
光束质量优化 )[IC?U:5I  
RJ&RTo  
B{#I:Rs9  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 7"x;~X  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 T2W eE@o  
j0aXyLNX  
结果：光束质量优化 djG*YM\B  
{9pZ)tB  
5d^sA;c  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 69Ne
Q$](  
Lv7(st%`  
 A,<E\  
WDD%Q8ejV&  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 2- h{N  
R|, g<  
sb*G!8j  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Eyqa?$R  
P4'Q/Sj  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 :\c ^*K(9  
LA5(sp@O  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 #q$HQ&k  
SHgN~Um  
FVbb2Y?R  
 这意味着参数变化是的正态 pE0Sw}A:9  
_6hQ %hv8  
;[YG@-"XZ  
1n8/r}q'H  
.!3|&V'<  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。  4e7-0}0  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Bm<`n;m  
\?-<4Bc@  
V)k4:H  
o5PO=AN  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Q&tG4f<  
lrE5^;/s1  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） )dw'BNz5hT  
3;9^  
h7oo7AP  
^uc=f2=>,  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 R) h#Vc(  
SKN`2hD  
总结 i1d'nxk6  
Gb6'n$g  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 JXQO~zj  
1.模拟 a58H9w"u)  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 +\]\[6  
2.研究  8dA~\a  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 WpP}stam/  
3.优化 oZgjQM$YP  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 <n$'voR7]  
4.分析 PFjL1=7I  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 'H>^2C iM  
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。