[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 6;"^Id   
RW19I,d  
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 N0APX4j  
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Z`Ya  
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简述案例 oS3}xT" U  
i$MYR @  
系统详情 m=;0N
Ls4  
 光源 %J)n#\  
- 强象散VIS激光二极管 o&M2POI~q  
 元件 q:2Vw`g'  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） `U:W(\L  
- 具有高斯振幅调制的光阑 :9`'R0
=i^  
 探测器 d:KUJ Y.  
- 光线可视化（3D显示） 1e=<df  
- 波前差探测 wkSIQL  
- 场分布和相位计算 0sxZa+G0o  
- 光束参数（M2值，发散角） g )H>Uu5@  
 模拟/设计 :0K[fBa  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 gT 8^  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： H"v3?g`S%  
 分析和优化整形光束质量 oq00)I1  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 8&?kr/_Vr  
jTVh`d<N  
系统说明 :5kgJu  
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E+XpgR
5  
模拟和设计结果 w.s-T.5.j  
BI9~%dm  
数值探测器结果 -9Iz$(>a  
MF+J3)  
N^,@s"g  
P}=u8(u  
a%3V< "f  
总结 tnx
)_f  
(W*~3/@D  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1<Vc[p&  
1.模拟 \;"$Z9W  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 %EC{O@EAk  
2.评估 53y,eLf  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 F_8< tA6  
3.优化 }jj@A !N  
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。 $L|YllD%  
4.分析 8<cD+Jtj  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 %;5AF8#c  
x9fNIuAQ  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 RRYm.dMIw  
UclQo~3  
详述案例 U}
9B wr^  
^4jIT1  
系统参数 :Ja]Vt  
] r8 hMv  
案例的内容和目标 R-xWZRl>  
D9OI",h  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 T<!&6,N A  
"2cJ'n/L  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Z1V%pg>]*  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 FcR(uv<  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 -8-BVU  
KEfn$\
 
模拟任务：反射光束整形设置 oBVYgv)  
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。 EH;w <LvT  
E_VLI'Hn?  
_J<^'w^;%  
etY/K0  
7nh,j <~;2  
-49z.(@ki  
规格：像散激光光束 L\@SX?j  
q%HT)^F9oO  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 <8yv(  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 zbL!q_wO  

!ueyVE$1  
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<OG rC .k}  
 T~I5W=y  
MMs#Y1dH  
规格：柱形抛物面反射镜 yGN@Hd:9  
                         j(j o8  
 有抛物面曲率的圆柱镜 2FHWOy /N@  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 5<-_"/_  
 曲率半径等于焦距的两倍 n-q  
W}6(;tI  
INQ0h`T  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Vc!` BiH  
`N0Mm7  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 *&VH!K#@{  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） k(Z+(Y'{q~  
 离轴角决定了截切区域 "*o54z5"  
FI,>v`  
规格：参数概述（12° x 46°光束） XW!a?aLNX  
& i,on6  
   Vmj7`w&  
<I.anIB:U  
光束整形装置的光路图 klC;fm2C  
5@3[t`n'  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 R/)cEvB-0  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 : `D[0  
z@E-pYV  
反射光束整形系统的3D视图 Rpit>  
r&AX  
G([8Q8B4+  
J 00<NRxj"  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 J8|F8dcz  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 Do@:|n  
"bF
t+N  
详述案例 %-? :'F!1  
+QNFu){G  
模拟和结果 2mS3gk  
fuM+{1}/E  
结果：3D系统光线扫描分析 %GUu{n<6  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 \Q.Qos  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 oY@4G)5  
j-2`yR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd H"PnX-fGN  
p8<Y5:`  
使用参数耦合来设置系统 FY%v \`@1*  
I(fq4$  
G%N/]]ll  
自由参数： YDBQ6X  
 反射镜1后y方向的光束半径 [;M31b3  
 反射镜2后的光束半径 F
"O{eK0T  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 6 W/S?F~{  
 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。
j I  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Ui6f>0?  
mQt';|X@  
T.kmoLlH  
=PXQX(_  
wD>tR SW  
+(/?$dRH  
l,Un7]*  
自由参数： t59"[kQ  
 反射镜1后y方向的光束半径 9tmYrhb$  
 反射镜2后的光束半径 D*+uH;ws  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） a p-\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。 Y%9S4be  
0'!v
-`.  
b#0y-bR  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 qM F'
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0;z-I"N  
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结果：使用GFT+进行光束整形 dj*%^c
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e:H7ht:  
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Xv3u}nPMq  
?Dro)fH1  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ,2mnjq/*Z  
$,ev <4I&  
}B2H)dG^K  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 PbOLN$hP  
v(^{P  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 QjETu  
_[8xq:G  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 03?TT,y$  
Q\G8R^9j p  
bF %#KSVw  
}OO(uC2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &T?>Kx  
]T\K-;i  
结果：评估光束参数 \a+F/I$hwa  
LLv~yS O  
<mlQn?u  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 PT4Xr=z =  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Ggy_ Ct
u  
Q&:%
U  
Be+'&+  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 @O+yxGA  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） _3<J!$]&p  
"UVqkw,vt  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd  r(pp =  
0-"ps]X  
光束质量优化 B`OggdE  
xB:,l'\G  
uyP)5,  
 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。 a?6 r4u0  
 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）。 "m +Eu|{  
yA*~O$~Y  
结果：光束质量优化 PETrMu<  
E :*!an  
1\q(xka{  
 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。 XOzPi*V**  
=zXpeo&|m  
FT73P0!8.  
+U&aK dQs  
 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。） <lZyUd  
o:#l r{  
e:{v.C0ez  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Vnuz! 6.  
Py\xN  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 STu!v5XY}-  
,(Fo%.j  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 a`(6hL3IT  
@& #df  
$s.:wc^  
 这意味着参数变化是的正态 v=nq P{  
|J2_2a/"  
!>b>"\b  
qa#Fa)g*  
6PT ,m  
 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。 K"Vv=  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 t3u"2B7o
G  
HZCEr6}(  
Nkn0G_  
I<|)uK7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run w=d#y )
1  
EU]{S=T  
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） ,@%1q)S?A  

r~F T,  
GdEkA  
*X\i= K!  
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。 G40,KCa  
??12 J#  
总结 K"VphKvR  
}!\NdQs  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 & S_gNa  
1.模拟 _CAWD;P  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 [&t3xC,  
2.研究 3 8pw  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Htl6Mr*{  
3.优化 2\l7=9 ]\3  
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。 %!%3jo0t
 
4.分析 <<@\K
,=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Ue
vbLt1Y  
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。