[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） VF8pH<  
lu~<pfg  
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 ^P30g2gv>  
e}%~S9\UL5  
E= 3Ui  
8T
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简述案例 HRX}r$  
fmqHWu*wG  
系统详情 ZDHm@,d  
 光源 +<#0V
!DM  
- 强象散VIS激光二极管 VK>ZH^-  
 元件 ~mAv)JK  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） u-v/`F2wN  
- 具有高斯振幅调制的光阑 'ii5pxeNI  
 探测器 {D6lSj  
- 光线可视化（3D显示） y8oqCe)  
- 波前差探测 alr'If@7  
- 场分布和相位计算 05o +VF;z  
- 光束参数（M2值，发散角） 6
2L,/?`B$  
 模拟/设计 Rr>nka)U  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 [2h4%{R&  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： bH6i1c8  
 分析和优化整形光束质量 PfF5@W;E;  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ySkz5K+|g  
FU]jI[  
系统说明 C/3
4K(  
L!/Zw~  
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模拟和设计结果 CKB~&>xx  
d@d\9*mn  
数值探测器结果 ks3ydHe`  
&k\`!T
1  
'YFy6rds  
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%%uvia=e  
总结 8.`*O  
'ozu4y  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 wk+| }s  
1.模拟 92F9)S{"  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 nF"NXYa  
2.评估 (U`<r-n\n  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 V -X*e  
3.优化 7XM:4whw  
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(G"]tRB  
4.分析 $[S)A0O  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ]LbFh5;s  
8uh^%La8b.  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 ZovF]jf k  
xLN$!9t  
详述案例 #(Xv\OE  
n
O#a|~-))  
系统参数 IuV7~w  
_P}wO8  
案例的内容和目标 {JGXdp:SB  
x<Ac\Cx  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 .DrGr:UW  
8x~'fzf;Sq  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 v#^_|  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 (fqU73  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 (C9{|T+h  
k-jlYHsA  
模拟任务：反射光束整形设置 o;[cApiQ,2  
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。 R+&{lc  
']C" 'b  
(F+]h]KSi  
q9gk:Jt  
,DIr&5>p2  
Z,_EhEm  
规格：像散激光光束 q;Rhx"x>T  
p3Z[-2I  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 `Lj'2LoER  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 MhDPf]` Gg  
-/ YY.F-  
=WEWs4V5A  
k
*ZYT6Z?  
?QRoSQ6  
a/Ik^:>m  
规格：柱形抛物面反射镜 AMe_
D  
                         BbG=vy8'l  
 有抛物面曲率的圆柱镜 iezY+`x4  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 H tx)MEZ  
 曲率半径等于焦距的两倍 ~P,@">}  
.22}=z  
70F(`;  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
&BOG&ot  
0f;`Zj0l8  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 GhC%32F  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 4<btWbk5u*  
 离轴角决定了截切区域 rCsH 0:l8P  
j"Z9}F@  
规格：参数概述（12° x 46°光束） cnL@j_mb  
$_+.D`vx`  
   }>yQ!3/i  
7Um3myXU  
光束整形装置的光路图 -(VX+XHW  
\= 
G8  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 
RD6`b_]o  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 A 6j>KTU  
MT^krv(G  
反射光束整形系统的3D视图 t@cImmh\T  
'/GZ/$a_l  
nV_[40KP_  
*n*po.Xr  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 O[5u6heNMr  
 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）。 Senb_?  
w1,6%?p(O  
详述案例 P~@.(hed  
qlg?'l$03)  
模拟和结果 /_ RrNzqy  
D {N,7kT  
结果：3D系统光线扫描分析 ~+&Z4CYb  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 NGAjajB  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 - -ZSl  
%-O[%Dy  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd G]E-2 _t7  
Uq=!>C8  
使用参数耦合来设置系统 gVN&?`k*?  
+<7a$/L?4  
OcZ8:`=%  
自由参数： K)nn;j=  
 反射镜1后y方向的光束半径 &-(p~[|  
 反射镜2后的光束半径 #TD0)C/  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） vFH1hm  
 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。 QmY1Bn?s  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 cE7IHQ  
N6uKFQL:{  
}!1pA5x$  
t4FaU7  
\Z/#s;c,4  
.*c%A^>  
11BfJvs:  
自由参数： "dFuQB  
 反射镜1后y方向的光束半径 !~a1xI~s  
 反射镜2后的光束半径 wKj0vMW  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） f4lC*nCN  
 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。 b:YyzOqEu  
]V.0%Ccw;.  
>@i{8AD  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 "V:E BR  
|s{[<;  
nI<Ab_EB  
结果：使用GFT+进行光束整形 r|JZU  
8\9s,W:5  
=7 ${bp!  
4<l&cP  
S#f}mb0,  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 .J.| S4D  
O K2|/y  
 FA#8  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Z*M-PaU}  
` EgO&;1D)  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 :W
mio\  
(VH0+  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 5d5q0bb  
+,A7XBn  
NiO|Aki{  
N83g=[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [;qZu`n>  
%N0cp@Vz  
结果：评估光束参数 g
@B,0JRh  
#`b5kqQm  
ma7@vD  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 =3<@{^Eg  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Kk<MS$Ov  
]q|^?C  
]Q*eCt;l"K  
 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。 Hpq?I-g<^  
 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） RlnJl
Y/  
u|uPvbM  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd @T8$/  
.m \y6  
光束质量优化 /%5X:*:H  
z{ydP Ra  
Th\t6K~  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 +Rb0:r>kU  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 Tv`-h  
i0e aBG]I  
结果：光束质量优化 fY{&W@#g  
?~s23%E  
0Rze9od]$  
 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。 z8\;XR  
3f^~mTY9>]  
^VAvQ(b!:i  
-|&5aH]  
 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。） %9P)Okq  
;yVT:qd %  
RmcQGQ
 
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Rr3<ln  
rP7~R  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 DV">9{"5']  
r%^J3  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 o6~9.~_e  
X__>r ?oJ  
H&3i[D!p  
 这意味着参数变化是的正态 k6PHyt`3'  
~[d|:]  
t:<dirw,o  
/vG)n9Rc  
UM QsYD)  
 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。 Lp}>WCams  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 j/Rm~!q  
-yH8bm'0"  
H^\2,x Z  
r:*0)UZlD  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run WPzq?yK  
+~L26T\8  
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） %.+#e  
,@*Srrw  
pHkhs{/X  
g0 NSy3t  
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。 %juR6zB%8  
M7 Z9(3Va  
总结 m:A1wL4c6  
c5e wG  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Z}*{4V`R  
1.模拟 U`h>[9  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 }|Wn6X  
2.研究 js#72T/_n  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 j/
<z[qr  
3.优化 hR1n@/nh  
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。 nC>'kgRt  
4.分析 O3>m,v  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 -Bl!s^-'  
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。