[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 7x//4G   
6O| rI>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 Pt\GVWi_t  
[I2vg<my  
s]'EIw}mo  
wHE1Jqpo  
简述案例 "fOxS\er  
[Nv)37|W  
系统详情 <Oihwr@5<  
 光源 A?4s+A@Eg  
- 强象散VIS激光二极管 Ee097A?1vj  
 元件 k4+Q$3"  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） _qvzZ6  
- 具有高斯振幅调制的光阑 y1_z(L;I  
 探测器 Bh5z4  
- 光线可视化（3D显示） f <pJ_  
- 波前差探测 -n~%v0D8c  
- 场分布和相位计算 :]uz0s`>  
- 光束参数（M2值，发散角） :)DvZxHE@  
 模拟/设计 BI:O?!:9)  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Y^-D'2P]P  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： |<!xD iB  
 分析和优化整形光束质量 E@CK.-N|  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 8Bwm+LYr-  
,KFF[z  
系统说明 /4{IxQk  
&@fW6},iW  
l dw!G/  
模拟和设计结果 l9vJ]  
h%8C_mA  
数值探测器结果 Y_,Tm  
 4
`]  
;fxrOfb  
/0(c-Dv  
^Fg!.X_  
总结 O6$n VpD3  
<8YIQA  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /amWf^z  
1.模拟 +Y"HbNz
 
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 St;@ZV  
2.评估 7_c/wbA#me  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ]6@6g>f?  
3.优化 {ug*  
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。 3"LT''  
4.分析 X]c>clk,  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ()(^B}VK  
}S 6h1X  
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。 0`$fs.4c  
H?wf%0  
详述案例 >9,:i)m_  
BDT"wy8  
系统参数 DA^!aJ6iF  
Mk8k,"RG&Z  
案例的内容和目标 Ib2n Bg>j  
=k##*%  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 L7n
W_  
pMV?vH  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 _@! yj  
 之后，研究并优化整形光束的质量。  I|
. <  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ', P_a,\  
KskPFXxP  
模拟任务：反射光束整形设置 ccwz:7r  
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。 qflOi8  
]e(\<R6Gf  
iM M s3  
eqk.+~^  
(g0U v.*  
o]@'R<F(u  
规格：像散激光光束 : $N43_
Wb  
_*-b0}T   
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 5V8`-yO9  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 +Ou<-EQV  
t@!A1Vr@  
e, }{$HStZ  
vDC
bD#.6  
 Y}e3:\  
+do*C=z  
规格：柱形抛物面反射镜 \0.!al0  
                         k,LaFe`W  
 有抛物面曲率的圆柱镜 `$XgfMBf |  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 \?[m%$A  
 曲率半径等于焦距的两倍 5I[6 "o0  
<jqL4!<  
'#lc?Y(pJ2  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） T'a&  
?;GXFKy  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 m O"Rq5  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） _7<G6q2(  
 离轴角决定了截切区域 H/l,;/q]b  
.p%V]Ka  
规格：参数概述（12° x 46°光束） *1h@Jb34  
Kl]l[!c7$  
   wcW7k(+0  
:PNhX2F  
光束整形装置的光路图 @ 1FWBH~  
2XyC;RWJ%  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 x LGMN)@r  
 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。 DTl&V|h$  
Rp !Rzl<  
反射光束整形系统的3D视图 |Elz{i-  
x\pygzQ/  
c=<^pCa9t1  
RmQ>.?  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ~?B\+6<V  
 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）。 J9P\D!  
tR(L>ZG{  
详述案例 cFHSMRB|P  
@B9#Hrc  
模拟和结果 S+l>@wa)|  
xP &@|Ag  
结果：3D系统光线扫描分析 at(gem   
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 J
]|S0JC`  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 kfq<M7y  
%>t4ib_8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd `+(4t4@ew  
caZEZk#r;  
使用参数耦合来设置系统 m}+_z^@j9  
!J(6E:,b#  
Lbu,VX  
自由参数： SDO~g~NTp  
 反射镜1后y方向的光束半径 Qm4cuV-0{  
 反射镜2后的光束半径 z5W;-sCz  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） |T{ZDJ+  
 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。 w[J.?v&^  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 7eG@)5Uy  
Tvw(Sq};  
*oAnG:J+M  
._<gc;G  
XQcE ZJ2  
Rk}=SB-  
i|fkwV,5  
自由参数： LP) IL~  
 反射镜1后y方向的光束半径 e*o:ltP./  
 反射镜2后的光束半径 fa,;Sw  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \oO&c  
 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。 r6L  
'h 7n}  
:s|xa u=  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Pcr;+'q  
]CgZt'h{  

$B`bsJ  
结果：使用GFT+进行光束整形 ~AR0,lak  
S.^x)5/,,T  
[}y"rs`!  
"~T06!F45  
fw0Z- 9*  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 EiWd =jDm  
s_76)7  
uQkQ#'e|  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 E /V`NqC  
Y4*?QBYA  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 AmcBu"  
@fd
{5 >\  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： QM'>
)!8  
0vM,2:kf*  
cQ/T:E7$`  
4'XCO+i#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 2^&5D,}
0  
yj
9Ad*.  
结果：评估光束参数 1JN/oq;  
=4Wjb  
7s1LK/R|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。 e{d$OzT) V  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 O9F#gO|!  
{1W
,-%  
|R(rb-v  
 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。 *1_A$14l  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） j,#R?Ig  
a4N8zDS  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd y#5;wb<1  
S]biN]+7s  
光束质量优化 H$]FUv8  
9wv 7HD|  
kk3G~o+  
 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。 XwdehyPhT2  
 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）。 P87qUC  
z#sSLE.$Z  
结果：光束质量优化 Xr pnc7  
;,:w%.  
;EfREfk  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 P3V}cGZ  
r$-]NYPi  
{NV=k%MTmi  
5[$jrG\!  
 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。） )UG<KcdI  
,?s:s&4  
)L:p.E  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd pc<A ,?  
h`/1JjP  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 04R-}  
u\|Ys  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 PQ[x A*  
Hsz).u  
  |HB  
 这意味着参数变化是的正态 nD;8)VI'I  
STgYXA(  
GFtE0IQ  
8p~G)J3U  
?TVR{e:  
 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。 -pm^k-%v  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 4f> s2I&pQ  
d/`Q,Vl  
S`GM#(t@_  
w.\#!@kZ!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 3
L(vZ2&  
X
vspE}~y  
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） .\+%Q)?h:  
&c
1zEgl  
.m\'|%  
}
F4   
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。 VtD
:'L-  
"#a,R^J  
总结 %{M&"Mv  
xiG_l-2l  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 SV96eYT<  
1.模拟 ?_7^MP>  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 VCUEz
R0  
2.研究 \4|o5,+(@  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Rck k  
3.优化
ThSB\  
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。 _-/<bO  
4.分析 rfS kQT  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 x>=8~wIK  
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。