[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 'LMMo4o3  
^?R8>97_?  
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 V(
wANvH  
"Ta"5XW  
<_3OiU=w  
T )!kJ;vc  
简述案例 Pq3m(+gf  
nA#N,^Rr  
系统详情  RxO!
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 光源 7u<C&Z/  
- 强象散VIS激光二极管 s`I]>e  
 元件 RN"Ur'+  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） {66P-4Ev(  
- 具有高斯振幅调制的光阑 e N^6gub  
 探测器 Ef\&3TcQ  
- 光线可视化（3D显示） Rj!9pwvT  
- 波前差探测 Lq]t6o]  
- 场分布和相位计算 cI (}  
- 光束参数（M2值，发散角） X
Cj8QM.o  
 模拟/设计 ^*'fDP*  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 cP^c}e*;NS  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Ctx{rf_~  
 分析和优化整形光束质量 0S#T}ITm4Z  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 }9~U5UXWU  
Kr%w"$<  
系统说明 CZDWEM}   
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=^mBj?(V7  
模拟和设计结果 8;$zD]{D1  
o}e]W,  
数值探测器结果 1T0s UIY  
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/|p6NK;8L  
(y5]]l  
!SdP<{[  
总结 j2s{rQQ  
&Ivf!Bgm{Z  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 *:"p*qV*  
1.模拟 ~n;U5hcB  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 [7Liken  
2.评估 WSqo\]  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ypWhH  
3.优化 qnJs,"sn  
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。 h~5gHx/a  
4.分析 A7R
[~  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Bk@&k}0  
gB])@O%/  
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。 !@[@&.  
`{H!V~42  
详述案例 nG~^-
c+  
t/J|<Ooj?  
系统参数 B3W2?5p  
2#X>^LH  
案例的内容和目标 @me ( pnD  
.#LvvAeh  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 4VP$,|a  
7_`_iymR  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ]SUW"5L-  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 s&M#]8x;x  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 juB/?'$~  
_-z;  
模拟任务：反射光束整形设置 "c
*#ZP  
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。 WDF6.i ?  
^%NjdZuDO  
!SThK8j$7  
H=6-@+ !o  
p4@0Dz`Q  
d RHw]!.  
规格：像散激光光束  / !aVv  
zO((FQ  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 $KPf[JvQ  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 TNlS2b1  
&IP`j~b  
#YK=e&da  
G$t:#2  
}b+$S'`Bv  
Qn \=P*j  
规格：柱形抛物面反射镜 &/$3>MD2`  
                         &{S@v9~IT  
 有抛物面曲率的圆柱镜 @6VkNe9  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 H(DI /"N  
 曲率半径等于焦距的两倍 QJ,~K&?  
qv8B$}FU  
?3do-tTp  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） nQ;M@k&9eV  
NW~`oc)NS  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 UVD*GsBk  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） JnS@}m  
 离轴角决定了截切区域 !BR@"%hx  
p*|Ct  
规格：参数概述（12° x 46°光束） !=]cASPGD  
})C}'!+]  
   RpzW-  
JPq' C$  
光束整形装置的光路图 HjT-5>I7f  
M<xF4L3]  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 xd!GRJ<I  
 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。 `86})xz{  
C:RA(
  
反射光束整形系统的3D视图 v d
Pb-z4  
z`!f'I--!  
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(Fy6m  
s\.\z[1  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 wcL|{rUXba  
 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）。 `Gh#2U  
'e8O \FOf  
详述案例 90">l^HX=  
s$xm  
模拟和结果 ?{r-z3@ N  
c Sktm&SP  
结果：3D系统光线扫描分析 *C,1x5  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 JxlZ,FF$@  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 (4IH%Ez){  
moE!~IroG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Z(BZGO<  
6,(S}x YDZ  
使用参数耦合来设置系统 T*rz#O
  
<,Fj}T-  
oI x!?,1
 
自由参数： yAu.=Eo7  
 反射镜1后y方向的光束半径 U)D}J_Zi(  
 反射镜2后的光束半径 ML7qrc;Rx  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4x_# 1 -  
 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。 Oox,4
&  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 gCM(h[7A  
>uJU25)|  
kI,O9z7A7  
3H`ES_JL  
) -@Dh6F  
Z"E2ZSa0  
8\m[Nuq5  
自由参数： =HHb ]JE  
 反射镜1后y方向的光束半径 <'vtnz  
 反射镜2后的光束半径 I~25}(IDZ"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 6bUcrw/# p  
 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。 NQ,2pM<*-  
#fxdZm,  
EkEQFd 5g  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 xDIl  
Yw,LEXLY  
*zWf8X  
结果：使用GFT+进行光束整形 7QHrb'c  
Y{2L[5_1  
:@J.!dokF  
HQ^:5XH  
wZ/b;%I!  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 La\|Bwx  
i 8:^1rHp)  
\0z<@)r+AJ  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ~4M?[E&  
_OJ19Ry  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 !Z%pdqo`.  
Q&e*[l2M6  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： nh>lDfJV<  
ykNPKzW:  
77;|PKE /  
;b^"b{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @!%HEs!# #  
{\ J%i|u  
结果：评估光束参数 e%KCcU  
90!67Ap`x  
~s>Ud<l%r  
 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=IY0Q>/(  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 g  I4Rku  
`<* tp@  
Ky)*6QOw  
 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。 Hq "l`  
 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） h2vD*W  
`D0Hu!;
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2E0$R%\  
F^X:5g~K  
光束质量优化 )%~<EJ*&Z  
-PskUl'  
-h{|u{t  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 8Xz \,}$O  
 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）。 =yLJGNK[  
$Zf]1?|xa  
结果：光束质量优化 r$&WwH2^  
9oxn-)6JC  
$@<cZ4  
 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。 $WG<  
3Hkb)Wu  
Mtq^6`JJ'  
h|[oQ8)  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 01vKx)f  
`_>44!M  
!Q5NV4gd+  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 48n7<M;I  
JI|MR#_u  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 YF<U'EVU-  
YCo qe,5  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 =J^FV_1rJ  
;7N~d TBQ  
0R}F(tjw  
 这意味着参数变化是的正态 0 LIRi%N5*  
qruv^#_l  
I.u[9CI7HU  
0v'!(&m  
w*B4>FYg  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 qBqh>Wo  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 3}2a3)  
)jed@?  
]%I|C++
0  
Ys@G0}\3G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ]?(_}""1  
]rc=oP;  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） OjfumZL#  
{Zrf>ST  
.?*TU~S  
#lO~n.+P  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 lW3wmSWn%  
6:qh%ZR  
总结 0'~Iv\s  
Yo[Pu< zR  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 m$B)_WW  
1.模拟 3Tz~DdB  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Q(h/C!rKe  
2.研究 ><"0GPxrx  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 +/DT#}JE  
3.优化 }<g-0&GLm  
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。 !MQVtn^C#  
4.分析 *e *V%w~75  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 )9z3T>QW  
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。