[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） H#:Yw|t  
PC5FfX  
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 P#C`/%$S  
0 N(2[s_A  
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(e}~5y  
iJK9-k~  
简述案例 &W%TY:Da|  
{rDZKy^f  
系统详情 \GN5Sy]r  
 光源 :d;5Q\C`  
- 强象散VIS激光二极管 Q]HRg4r  
 元件 ))Nc|`  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） &nss[w$%C  
- 具有高斯振幅调制的光阑 A@4Cfb@  
 探测器 "#()4.9  
- 光线可视化（3D显示） Lv"83$^S9  
- 波前差探测 ,^(T^ -  
- 场分布和相位计算 D'X'h}+2  
- 光束参数（M2值，发散角） QZY(S*Up  
 模拟/设计 UTz;Sw?~hw  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 VQCPgs  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ;%)i/MGEB  
 分析和优化整形光束质量 l40$}!!<  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 xFJ>s-g*  
`u-}E9{  
系统说明 sr\MQ?\fB  
Ce:kMkJ  
j(SQNSFD  
模拟和设计结果 *VpQ("  
tPUQ"S  
数值探测器结果 }5gQZ'ys'  
cb+!H>+  
@1pdyKK  
.'4*'i:  
P_;oSN|>  
总结 3ySnAAG  
v-kH7H"z  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 E-/]UH3u H  
1.模拟 `>V.}K^4  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Av'H(qB\K  
2.评估 7J_H Ox#  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 _tjH=Ff$  
3.优化 /xmd]XM=_  
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。 o)$sZ{` ="  
4.分析 i|<*EXB"  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 mHP1
.Z`  
pD]Ry" ZG  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 T]:5y_4?[  
?vhW`LXNB  
详述案例 6Hz=VhQrN  
SSzOz-&GA  
系统参数 r"n)I$  

\3KCZ  
案例的内容和目标 9(C Ke,  
{3;4=R3  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 71~V*  
3 3V/<v  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 x&;SLEM   
 之后，研究并优化整形光束的质量。 p%?R;W`u2  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 'HC4Q{b`  
wC[J=:]tA5  
模拟任务：反射光束整形设置 2
@ad!h  
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。 i^n&K:6  
|h3YL!  
g><sZqj8tt  
h7*m+/O  
]!f=b\-Av  
]@'YlPU  
规格：像散激光光束 55#H A?cR  
X<1# )xC  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 q H+~rj  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 hWUZn``U$|  
A5z`3T;1  
eX=W+&lj  
rod{77  
S]<Hx_[}  
I|p(8R!  
规格：柱形抛物面反射镜 /JvNJ f  
                         $
idYG<],  
 有抛物面曲率的圆柱镜 * @oAM,@  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 LOp<c<+aW  
 曲率半径等于焦距的两倍 HK}C<gg  
l{;vD=D  
xL mo?Y*  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） En[cg  
FzNs >*  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 3.8d"  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） WT1ch0~2  
 离轴角决定了截切区域 ^Zg"`&E  
chxO*G  
规格：参数概述（12° x 46°光束） .i&]VGv  
@k6>&PS  
   D].1X0^hp  
kMUjSa~\  
光束整形装置的光路图  snX5mD  
Og^b'Kx/  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 O[$&]>x]]  
 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。 'sJYt^  
Qq>M}  
反射光束整形系统的3D视图 v\&Wb_;A  
X+iUT  
D;m>9{=  
F(mm0:lT  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 u3
kZOsG  
 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）。 q*
52|?  
3PPN_Z  
详述案例 $O=m/l$  
RH~KaV3  
模拟和结果 )p 2kx  
G9d@vu  
结果：3D系统光线扫描分析
A=Dzd/CUO  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 @=:( b"Sg  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 wU+-;C5e  
u0\?aeg`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd fsb_*sh&  
%i$]S`A}  
使用参数耦合来设置系统 )nQA) uz  
# sm>;+J  
S}mqK|!
 
自由参数： K8f;AK  
 反射镜1后y方向的光束半径 xV}-[W5sr'  
 反射镜2后的光束半径 $SA8$!:  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） SBZqO'}7  
 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。 Fn1|Wt*  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 }GRZCX>  
!-)Hog5\  
*+rO3% ;t  
(w`9*1NO  
DavpjwSn  
M|6l  
,p {|f}0  
自由参数： ncjtv"2R  
 反射镜1后y方向的光束半径 4At{(fwW  
 反射镜2后的光束半径 %dw@;IZ#8{  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） wak_^8x  
 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。 TldqF BX  
unY+/p $  
`2
.[
8%6  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ^Q0%_V,  
L/t'|<m  
Y|stxeOC  
结果：使用GFT+进行光束整形 #0GvL=}k  
w7+3?'L  
[Wf%iwB  
sba+J:#w  
@|BaZq,g  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 g]%sX6T  
'So,*>]63  
}]V
FLBl`w  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 lXso@TNrZ0  
K8,Q^!5]"  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 bh V.uBH  
Hwiw:lPq`E  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ,}?x
!3  
'~{bq'7`m  
V'alzw7#  
J
B[n]|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd dX^ ^ @7  
I5Vp%mCY  
结果：评估光束参数 \%[sv@P9s  
F/.nr  
p$.m=+K~  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 oU"!"t  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 t`%Xxxu  
5\S s`#g  
jAXKp b  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 -9)H[}.  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的）
' m^nKG$"  
'ip2|UG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd CmP_9M?ce  
?5VPV9EX  
光束质量优化 L"[2[p  
JO[7_*s  
|tn.ZEgw3~  
 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。 WtS5i7:<Y  
 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）。 I.dS-)Y  
Q7#Yw"#G!  
结果：光束质量优化 }o,-@R~  
9^+8b9y  
{wJ8% ;Z7  
 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。 HAKB@h)  
8@rddk  
lf2Q  
!a9`]c  
 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。） >a%C'H.A9  
2UbTKN  
N1!O8"Q|*3  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Gv\39+9=  
Lqa|9|!  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 
U,Q  
" i!Xiy~  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 2p|ed=ly%  
+Z7:(o<  
i U"2uLgb  
 这意味着参数变化是的正态 v{r,Wy3  
0]k-0#JM  
BZP{{  
[x[nTIg  
;M<R 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。 SPu+t3  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ]L6[vJHx  
)`5=6i  
 -^ceTzW+  
2I$-&c]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run {ovW6#  
G0h/]%I  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） ioT+,li  
&"6%D|Z0  
FKWL{"y  
}'u0Q6Obj  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 h?7@]&VJ  
D}T+X;u)K  
总结 +yd{-iH  
nnZM{<!hF  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 V:'_m'.-Y  
1.模拟
Uys[0n  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 wA< Fw )  
2.研究 ~O8Xj6  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 0#:St  
3.优化 3[Z7bhpV  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 jI!WE$dt  
4.分析 W[B;;"ro  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Z/oP?2/Afh  
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。