[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） >gj%q$@
 
vdhwFp~Y  
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 (z8^^j[  
=Gl6~lJ{_  
pn5A6 #  
cJIA/HQe  
简述案例 71g\fGG\  
8y9`xRy  
系统详情 =N,a
hq  
 光源 5V"Fy&}:  
- 强象散VIS激光二极管 zB/)_AW  
 元件 p3e_:5k  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 3U.?Jbm-8  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ~s$ jiA1  
 探测器 0 It[Pa qG  
- 光线可视化（3D显示） '[T#d!T  
- 波前差探测 )&
jE<C0  
- 场分布和相位计算 {? a@UUvC  
- 光束参数（M2值，发散角） KNI* :  
 模拟/设计 {c#{dT
 
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 :)djHPP*  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： zi7>!#(  
 分析和优化整形光束质量
a>_Cxsb&`  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Xp_3EQl  
X+R?>xq{=h  
系统说明 :!fP~(R'm  
'N7AVj  
6Cdc?#&  
模拟和设计结果 (Lp$EC&%6  

U\<8}+x  
数值探测器结果 *E"OQsIl  
RhL!Zz  
N9|v%-_?)  
)`4g,W  
\[!k`6#t7  
总结 qGH s2Og  
.lcI"%>  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 MDyPwv\  
1.模拟 sz7|2OV"  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 SK>*tKY  
2.评估 i&%/]Nq  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 t V]BcD
p  
3.优化 !)nA4l=S#  
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,KK{o|Eq  
4.分析 %wc=Mf  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。  C0Oe$& _  
_NkVi_UX  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 N1pw*<&  
&+K:pU?[$  
详述案例 [|:kS  
Z*M]AvO+#  
系统参数 0_A|K>7  
CP%?,\  
案例的内容和目标 3ZAPcpB2  
J7p'_\  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 O|Z5SSlk  
szDd!(&pv  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 (,i&pgVZ  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 $_u9Y!  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ZQ0R3=52r  
O%Mi`\W@  
模拟任务：反射光束整形设置 j9bn|p$DA  
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。 O< \i{4}}  
Bq20U:f  
]P5|V4FXo  
[VsTyqV a  
\dq}nOsX*  
tbNIl cAWS  
规格：像散激光光束 d/m.VnW  
 _xyq25/  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 6oQSXB@  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 sNF[-,a  
pKxq\U  
) vKZs:  
5*n3*rbU:  
]W7e2:Hra  
{e1akg.  
规格：柱形抛物面反射镜 [q%Rx!L  
                         {FrcpcrQa  
 有抛物面曲率的圆柱镜 [ITtg?]F  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 <6djdr1:b  
 曲率半径等于焦距的两倍 k4AF .U`I  
)[c@5zy~*  
??7c9l5,  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） .[qm>j,  
H/v|H}d;  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 m7F"kD  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） d7*fP S  
 离轴角决定了截切区域 =MsQ=:ZV  
XEB1%. p  
规格：参数概述（12° x 46°光束） nKO4o8js{{  
-D4"uoN
.  
   `F^~*FnR,B  
4$wn8!x2|  
光束整形装置的光路图 |_Tp:][mf  
X}W4dpU,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 RTJ\|#w  
 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。 T
rEo5H;  
i.(kX`~J1  
反射光束整形系统的3D视图 z+k[HE^S  
)5O E~}>  
CBVL/pxy  
SFiK_;  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 |k:ecw  
 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）。 C=sEgtEI  

VsrYU@V  
详述案例 G 5T{*  
-fA1_ ?7S  
模拟和结果 GgNqci,  
G|h@O'  
结果：3D系统光线扫描分析 c=52*&  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 7@6B\':  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 hbOyrjanx  
lQ]8PR t8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @uJ^k >B  
fGz++;b<S  
使用参数耦合来设置系统 NY,ZTl_  
?##3E, /"9  
/p PSo  
自由参数： ?C6DK{S(  
 反射镜1后y方向的光束半径 G""L1?  
 反射镜2后的光束半径 a*g7uaoP  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ^s;xLGl]  
 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。 }5??n~:*5  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 43HZ)3!me  
Ul`~d !3zH  
'PBuf:9lN  
0&@pD`K e  
?: XY3!{  
uYu/0fQD  
Jj:Bi&C  
自由参数： UgBD|~zu  
 反射镜1后y方向的光束半径 "7. lsL5  
 反射镜2后的光束半径 ] C&AU[U*  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 'ZUB: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。 9eh9@~mU"l  
p3L0'rY|+  
Q6e;hl  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 dTwZ-%  
\GFFPCi4D  
97]$*&fH  
结果：使用GFT+进行光束整形 ]5_6m;g  
TA"4yri=7x  
-{=c T?"+  
$UX^$gG  
iL](w3EM  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 5e|2b] f$  

9cO m$  
*}n)KK7aT  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 AvxP0@.`  
RhPEda2  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 jb5nL`(j$  
nG+L'SmI  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 33*NgQ;&~'  
F\H^=P  
ER)<Twj  
.Y^UPxf@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd j0]|$p  
^-|yF2>`  
结果：评估光束参数 v)VhR2d3  
vvDaL$  
@
|1/yQgi  
 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。 R DAihq  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 R=/6bR57  
)RFE< Qcj  
eT4+O5t  
 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。 9tt0_*UX  
 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） |}O9'fyU8  
Hh<3k- *d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 51Nh"JTy  
L+b"d3!G&%  
光束质量优化 ?d? cD  
|iJ+e -_R  
_s&sA2r<  
 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。 !FhiTh:GCh  
 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）。 (_Ld^^|  
@uWPo2  
结果：光束质量优化 u3Jsu=Nx-  
` s}v6  
-A\J:2a|  
 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。 T&5dF9a  
@Qa)@'u  

YnCWmlC  
P!Mz5QZ+  
 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。） =h"*1`  
CLU[')H0  
ua'dm6",:  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd gkN|3^  

dF-d  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 qZ:--,9+  
:<`hsKy&  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
ke(LjRS  
SLiQHWw*J  
O0lQ1<=  
 这意味着参数变化是的正态 W9$mgs=S`E  
|0wUOs*5  
tVf1]3(_>  
>#MGGCGL  
Ef
}rMkv  
 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。 -ty_<m]  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 |c]Y1WwDx  
gda3{g7<)  
u/D=&"tL  
jx=2^A/i2-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run .-:R mYGR  
vk:m>?(  
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）
mh4NZ @;  
y?|JBf  
IX /r  
z]NN ^pIa  
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。 CPI7&jqu  
Y^?J3[@  
总结 SGU~LW&  
7@.UkBOx  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .&53WL[D|  
1.模拟 h4xRRyK  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 jocu=Se@  
2.研究 J% B(4`  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 kCRP?sj  
3.优化 LWb5C{  
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。 mn=G6h T}W  
4.分析 v:YW[THre  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ACg5"  
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。