[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） M&dtXG8<^  
sh1()vT  
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|5nu-B0v  
7Go!W(8  
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xjN~Y D:  
简述案例 uM8gfY)OI  
"K<VZ  
系统详情 4SYN$?.Mp  
 光源 MR}\fw$(.  
- 强象散VIS激光二极管 RAC-;~$WB  
 元件 KJiwM(o  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） V
|)>  
- 具有高斯振幅调制的光阑 G.}yNjL8  
 探测器 bBX~ZWw
  
- 光线可视化（3D显示） FQyiIT6  
- 波前差探测 \<} nn?~n  
- 场分布和相位计算 jo^*R'}  
- 光束参数（M2值，发散角） )zN )7  
 模拟/设计 y^Lw7  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 XHr{\/4V  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 8~i@7~ J  
 分析和优化整形光束质量 1;W>ceN"  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 uOQ5.S+  
5 Jhl4p}w  
系统说明 |1D`
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vF,l?cU~  
[H6>]&  
模拟和设计结果 <Yc:,CU  
G\Me%{b#  
数值探测器结果 R|suBF3  
}5k"aCno  
vXF\PMf  
VxCH}&!  
VV  
总结 eZcm3=WV|  
jK=[   
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 gJ])A7O  
1.模拟 j!s&yHE1  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 &eg,*K}'  
2.评估 S;])Nt'X'  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 6]Jv3Re'(I  
3.优化 ^6*? a9jO>  
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。 4g 1h:I/  
4.分析 j- A|\:  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 h@J`:KO  
G<-.{Gx)  
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。 P}5aN_v\  
78%2#;;G  
详述案例 u7mj  
 lcr=^  
系统参数 g@QpqrT  
h2q]!01XP  
案例的内容和目标 ^T5c^ M8o  
6"DvdJ0MB  
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|,xIr-Q  
1$^{Uma  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 E8xXr>j>#  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 "CaVT7L  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 |0&S>%=  
4Mprc~ 7vr  
模拟任务：反射光束整形设置 gor6c3i  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 .C#}g  
9xWrz;tzo  
!-QKh aY  
C?B7xK  
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gQ?k}D  
规格：像散激光光束 D,hl+P{^K  
O^f@ g l  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 0`x<sjG\q  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 WDZEnauE  
<W?,n%  
78X;ZMY  
u7/M>YJ`
T  
jk|0<-3  
E`i;9e'S  
规格：柱形抛物面反射镜 ?832#a?FZ;  
                         VHJr+BQ1K/  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Xbz}pAnj  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 p?}Rolk7  
 曲率半径等于焦距的两倍 &~k/G  
+`[$w<I  
os2yiF",   
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） w qsPGkJJ7  
B82A:t)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Rn}+l[]jC  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 7DI8r|
~  
 离轴角决定了截切区域 =Xp3UNXg  
s8tI_h  
规格：参数概述（12° x 46°光束） qYpHH!!C=  
iw#luHc
J  
   V{"5)Ly?fu  
'C[gcp  
光束整形装置的光路图 $)'{+1  
Y)uNzb6R  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 46 77uy  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 BFMM6-Ve  
@p!["v&  
反射光束整形系统的3D视图 `xtN+y F  
v!x=fjr<  
vv3dr_l:  
rf9RG!  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 uU<Yf5  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 a#kZY7s  
x$Lt?'  
详述案例 9/nL3U@i1  
&;y(@e}D  
模拟和结果 ] $%{nj<  
g]3-:&F{c  
结果：3D系统光线扫描分析 xd>2TW l#  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 o77HRX  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ^@6eN]  
Y&#<{j':  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;B7>/q;g  
c*3ilMP\4  
使用参数耦合来设置系统 ln3
.TR*  
02SUyv(Mt  
87*R#((  
自由参数： r*WdD/r|  
 反射镜1后y方向的光束半径 (OJ}|*\e  
 反射镜2后的光束半径 Uqkh@-6-  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） #Q;#A |EZ  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 #Uudx~b  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 QJ$]~)w?H  
`_f3o,5  
B$7lL
  
ag] nVE/  
wv1?v_4  
<,LeFy\zW  
K<V(h#(.@  
自由参数： [7$<sN<'  
 反射镜1后y方向的光束半径 z9VQsC'K  
 反射镜2后的光束半径 3Hq0\Y"Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） xvgIYc{  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 IQH;`+  
ma-|L3 #  
f(9w FT  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ~kYF/B2*  
@w2}WX>  
[T
NYPA>{  
结果：使用GFT+进行光束整形 PY`V]|J  
4h(aTbHaQ  
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5m_@s?P[  
*aTM3k)Zs  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ~r!jVK>^  
qT}&XK`Q^  
8_KXli}7=  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 b#$:XS  
.&*Tj}p  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Qy15TJ  
2wu 5`Z[E  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： mTcLocx  
z.{yVQE  
CNP?i(Rk  

SLBKXj|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %S@XY3jZY  
{5*+  
结果：评估光束参数 sX@e1*YE_  
gzw[^d  
o6{XT.z5qx  
 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。
CIV6Qe"<  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 +K+ == mO&  
_&yQW&vH#  
:?lSa6de  
 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。 mqwN<:  
 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） gXs@FhR0  
90teXxg=|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd h.=YAcR0D  
9JP{F  
光束质量优化 !=I:Uc-Y  
SO8Ej)m  
UV@<55)K  
 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。 Eq'YtqU  
 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）。 ml\7JW6Rx  
vAU^<$D27  
结果：光束质量优化
H~@aT7  
>8 VfijK  
Cg8{NNeD  
 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=PDOzB>K  
ApjLY58=  
.|x0du|  
4hZ-^AL"(  
 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。） SAly
~(r?/  
yu3EPT!~  
A]Q4f
D1q  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd +1F@vag7  
HwM:bY N  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 }me]?en_Ra  
eHd{'J<  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 j3sUZg|d  
s^js}9]p  
st/Tb/  
 这意味着参数变化是的正态 g 9>p?XY  
(Q#ArMMORI  
$(#o)r>_R  
uh`~K6&*\w  
1QjrL@$>15  
 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。 N~Ax78TX  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。  p^\>{  
pl|<g9  
z&cfFx#h)  
lr,hF1r&Y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Kxh)'aal  
PY)C=={p  
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） 69O?sIk  
rQN+x|dKMb  
Xqf"Wx(X  
&hjrJ/'^  
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。 5orA#B  
 2Np9*[C  
总结 ls 'QfJm  
2!{CNt.-  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 d=N5cCqq  
1.模拟 kX5v!pm[  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 yd#4b`8U`  
2.研究 P8z++h  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 JFR,QUT  
3.优化 0`,a@Q4  
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。 "2Js[uf  
4.分析 _aa3Qwx  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 78y4nRQ*  
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。