[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Jf+7"![|  
0QR.   
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 fSV5  
4!2SS  
@9_)On9hZ  
FR'b`Xv:  
简述案例 Mw|SH;nM  
J3\)Jy  
系统详情 6bJ"$o  
 光源 kGj]i@(PA4  
- 强象散VIS激光二极管 {Pvr??"r  
 元件 bBFwx@  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） *(VbPp_H_  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ./)j5M  
 探测器 b.(XS?4o  
- 光线可视化（3D显示） G,/Gq+WX  
- 波前差探测 Znq(R8BMW  
- 场分布和相位计算 *p"O*zj  
- 光束参数（M2值，发散角） N  I3(  
 模拟/设计 i/M+t~  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 *<CxFy;|  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： gx#J%k,f  
 分析和优化整形光束质量 I &cX8Tw  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 r)%4-XeV  
=G[H,;W  
系统说明 =yo=q)W  
Xv]*;Bq:SK  
78^Y;2 P]W  
模拟和设计结果 \4C)~T:*  
7:ckq(89  
数值探测器结果 2kC^7ZAwu  
.k p$oAL  
M'b:B*>6  
nO-d"S*  
:Q8g?TZ  
总结 _J+]SNk  
QZqpF9Eu  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 o&WRta>V
P  
1.模拟 !Jh*a *I}  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 l85O-g}M  
2.评估 e1:u1(".  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 1w(<0Be  
3.优化 30t:O&2<  
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。 K lPm=  
4.分析 YmdsI+DbIu  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 %{7$\|;J'  
\CP*i_:"  
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。 i.B$?cr~  
wn&[1gBxM  
详述案例 -i| /JH  
Fm
y1nZ  
系统参数 tsCz+MP  
Ubn
 
案例的内容和目标 _Y}^%eFw  
(, ;MC/l  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 .D>A'r8U  
eh8<?(eK  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 #JX|S'\x  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Pl`Bd0  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 MVu[gB  
J tn&o"C  
模拟任务：反射光束整形设置 6%Cna0x:&  
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。  |V*e2w  
T%z!+/=&^  
|\yDgs%EGy  
rzc 3k~@  
x<)!$cg  
b*$o[wO9  
规格：像散激光光束  xLGTnMYd  
$)WH^Ir~  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \Ho#[k=y*/  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 @i1.5z  
rK0|9^i{  
noD7G2o  
E(L^hZMc  
PdE)m/  
's%ct}y\J  
规格：柱形抛物面反射镜 )GF
 
                         iI/'!85  
 有抛物面曲率的圆柱镜 kB!M[[t  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Qr xO erp  
 曲率半径等于焦距的两倍 'TEwU0<%  
]mDsUZf<  
fjzr8vU}C  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） kA->xjk  
z8rh*Rfxd  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ;/]c^y  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ^9m^#"ZW`  
 离轴角决定了截切区域 G5
Dji_|  
ZYp-dlEXq  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 1\9BO:<K  
$DMu~wwfG  
   x[h<3V"  
g\mrRZ/?  
光束整形装置的光路图 2QQYXJ^  
7G #e~,M5  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 bJ5z??  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 x'PjP1  
F[qIfh4  
反射光束整形系统的3D视图 [,V92-s;N  
hdWp  
<EE+ S#z  
T<~[vjA  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 }u$aPS<$!  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 6je%LHhL  
'S-"*:$,u  
详述案例 v-]-wNqT  
1OGv+b)  
模拟和结果 z.F+$6  
gKH"f%lK  
结果：3D系统光线扫描分析 .0/Z'.c8  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 aNEy1-/(\  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 "S} hcAL/  
a5+v)F/=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4'e8VI0  
&K*_/Q '\  
使用参数耦合来设置系统 yxq!.72  
qMj e,Y  
@Bwl)G!|  
自由参数： K%@SS8!oy  
 反射镜1后y方向的光束半径 R')GQ.yYq  
 反射镜2后的光束半径 >R0j<:p
:  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） AR2+W^aM3  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 I!#^F1p1  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 O/"&?)[v  
QVhBHAw  
wBGxJ\+M  
eW<hC(  
j;vaNg|v
Q  
{.)D)8`<d  
XV!EjD~q  
自由参数： 8#AXK{  
 反射镜1后y方向的光束半径 MM7gMAA.mz  
 反射镜2后的光束半径 5jk4k c  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (9%%^s]uPT  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 '^AXUb  
L0~O6*bk  
?Fw/c0  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 yh!vl&8M  
>iV(8EgBS  
~;` #{$/C&  
结果：使用GFT+进行光束整形 [V~bo/n  
8tk`1E8!j  
XCoOs<O:@  
E$ rSrT(  
!9NAm?Fw  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -OxHQ  
Uk4">]oct  
egvWPht'_  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 J>Ha$1}u/  
a4YyELXe  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 \h4y,sl  
/zKuVaC  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 4vphLAm  
9OBPFF  
V"XN(Fd^  
NGu]|p  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 3-5lO#&#  
4j5 "{  
结果：评估光束参数 U@WT;:.T  
*k -UQLJ  
;a"Ukh  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 VTU-'q  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 6gXc-}dp  
]Az >W*Y  
ge|}'QKow  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 rcOmpgew  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） -oj@ c OZ  
JT+P>\\];'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd be_t;p`3  
827N?pU$)  
光束质量优化 7@\iBmr6  
XcXd7e  
\)bwdNWI  
 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。 .Kx5Kh{  
 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）。 s$Mj4_p3l  
j<[<qU:  
结果：光束质量优化 /T?['#:r-)  
AbB%osz}Ed  
BN=,>-O%  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 KM6r}CDHs  
ev>: 3_ s  
6gv.n  
I<$lpU_H  
 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。） ?@ O[$9y  
qz 'a.]{=  
_\[Zr.y  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 3E#acnqn*  
9%x[z%06  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 [bAv
|;  
LWY`J0/  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 )Aj~ xA  
%FwLFo^v  
{pVD`#Tl[  
 这意味着参数变化是的正态 JI.ad_IR
 
X{)M}WO+r  
"kMpa]<c-6  
q*2ljcb55  
c1c0b|B!U  
 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。 DJ
eG
  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 MVV<&jho{^  
*'Ch(c:rtH  
|[gnWNdR$M  
J6jrtLh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run mI}'8.  
__)9
JF  
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） pmfyvkLS  
Jyvc(
~x  
R:11w#m7w  
B6,"S5@  
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。 8%Pjx7'<  
fY\QI =  
总结 Uc\\..Cf  
\ B<(9  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $BCqz! 4K  
1.模拟 [&6l=a  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 7x`uGmp1  
2.研究 Z?X ^7<  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 EY':m_7W  
3.优化 eo"6 \3z  
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。 co#%~KqMu  
4.分析 (Zx;GS  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Wk`G+
VR+  
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。