[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） &\F`M|c  
C
KNC"Y*X  
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
LR@rn2Z  
2ZNTj u7h  
^+Ie   
G[)Ll=  
简述案例 +`r;3kH ..  
'ZgrN14  
系统详情 .8<bz4  
 光源 ]uI#4t~  
- 强象散VIS激光二极管 SaH0YxnY+  
 元件 iN %kF'&9  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） qSlC@@.>  
- 具有高斯振幅调制的光阑 21O!CvX  
 探测器  O3bo3Cm$  
- 光线可视化（3D显示） <T>C}DGw  
- 波前差探测 f\nF2rlu  
- 场分布和相位计算 vj]-p=
 
- 光束参数（M2值，发散角） c`yLn%Of%  
 模拟/设计 :rnn`/L  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 QeuIAs*_  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ^w5`YI4<  
 分析和优化整形光束质量 h\Ck""&  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 02g}}{be8  
c:.k2u  
系统说明 aze}koNE  
f wWI2"}  
Wf^6:  
模拟和设计结果 FX`SaY>D  
hF"yxucj$  
数值探测器结果 \Bg;}\8X  
=B@owx  
vn}:$|r$J  
~5<-&Dyp
7  
v)
mO"\  
总结 J+r\EN^9  
6nV]Ec~3[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 >T[1=;o]  
1.模拟 DF|(CQs9  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 8@^=k.5IK  
2.评估 ;N6Euiz  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 {x{e?c!  
3.优化 w#_/CUL  
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。 I?}YS-2  
4.分析 <)ozbv Xk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 [1K\ _  
Lgw!S~0  
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,bYzWsrPo  
r)UtS4 7  
详述案例 tu8n1W  
xPoI+,  
系统参数 7t &KKKV  
!

)~b Un  
案例的内容和目标 s4uZ;  
'
yd<<BM`  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 {XAm3's  
Q^}6
GS$  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 f mu `o-  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 #\U;,r  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 p2s*'dab7  
wPdp!h7B~N  
模拟任务：反射光束整形设置 Khp`KPxz%  
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。 <
pJeiMo  
4d~Sn81xW  
YTP6m9hA+  
vDl6TKXcu  
8D7=]
 
0h^&`H:  
规格：像散激光光束 VX#4Gh,~N  
l'TM^B)`c  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 y qDE|DIez  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /sVy"48-  
>S/m(98  
_ T ;+*  
!;EG<ji,gj  
Z<+Ipj
&  
|]FJf
MX  
规格：柱形抛物面反射镜 y!JZWq%=  
                         sswYwU  
 有抛物面曲率的圆柱镜 GR6BpV7  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 $]O;D~
 
 曲率半径等于焦距的两倍 !U,W; R  
it?l! ~  
7S+_eL^  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） B+W 4r9#  
"W!Uxc  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 rq=D[vX\N(  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） mc37Y.  
 离轴角决定了截切区域 lU6?p")F1  
Qry?h*p+`  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ,
H$1iJ?  

8&T6  
   !\D[lh}rL  
3@xn<eu  
光束整形装置的光路图 6, =oTmFP  
s'/b&Idf8  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 7ip$#pzo  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 u17e  
HHd;<%q  
反射光束整形系统的3D视图 FwD"Pc2  
ME'hN->c  
'#JC 6#X   
~{-zj  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 19V  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 ue?e}hF  
Qv~KGd9  
详述案例 e6O+hC]:  
e}V3dC^pU  
模拟和结果 Z.:g8Xl-6  
+-8S,Rg@   
结果：3D系统光线扫描分析 
zT_  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 OB-gH3:  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 E RnuM  
fyb:eO}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
P[E:=p  
J-Xw}|>@  
使用参数耦合来设置系统 d5aG6/  
Q:U^):~  
53vnON#{*  
自由参数： Q[5j
5vry  
 反射镜1后y方向的光束半径 G.ag$KF
 
 反射镜2后的光束半径 W+F{!dW  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \J@i:J6x$1  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 lt:xN?--A?  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 4.>rd6BAN-  
="yN4+0-p  
2QUZBrs s  
TgFj-"L\  
+@n8DM{b  
bLSZZfq  
4$HU=]b6Tf  
自由参数： .\/jy]Y  
 反射镜1后y方向的光束半径 6.uyY@Yx  
 反射镜2后的光束半径 $>Y2N5  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） k)'y;{IN  
 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。 }@+3QHwYU  
1=R6||8ws  
rt5FecX
\  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 6oh\#v3zV  
(Nzup3j  
|@Cx%aEKU  
结果：使用GFT+进行光束整形 Wc6Jgpl  
4FWL\;6  
k/U1 :9  
7FQ&LF46  
.?<M$38fv  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 >v sy P  
](^$5Am  
yJyovfJz.  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 J
f#Ika&px  
!c 3c%=W  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 2 %`~DVo  
^(w%m#  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： z' oK 0"  
8[PD`*w  
NU]+ {7  
!+<OED=qe  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd eUY/H1
  
n5Coxvy1  
结果：评估光束参数 t>~a/K"  
5mtsN#  
:NHP,"  
 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。 2rzOh},RS  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 YI877T9>  
=hw&2c  
){D6E9  
 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。 ZmXO3,sf)  
 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） >EacXPt-O  
+n'-%?LD&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd PU& v{gn  
Qru iQ/t  
光束质量优化 hggP9I:s,  
55%j$f  
t9QnEP'  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 ;?q>F3n  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 iJ-z&=dOe  
ekR/X  
结果：光束质量优化 tPQjjoh  
o(
gEyK  
/s/\5-U7q  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 x>ZnQ6x~m]  
hOOkf mOM  
j\LJ{?;jC  
b+4x2{  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） rDD,eNjG  
g"KH~bN  
qV7F=1k]  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd _nn\O3TB  
z1AYXW6F  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 u&E$(  
]ChGi[B~9  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 _aaQ1A`p  
|/YwMBi  
='[J.  
 这意味着参数变化是的正态 \]Nt-3|`0  
~MpcVI_K  

'(6 ^O=  
~43T$^<w;  
'gaa@ !bg  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 B-.QGf8K.  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 m4m,-}KNi  
j,Vir"-)  
xQ]^wT.Q  
-50Nd=1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run )q8!:Z  
o4U[;.?c  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） yGs:3KI  
32S5Ai@Cd"  
=qNZ7>Qw  
(Qp53g  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 B/^1uPTZ71  
!RPPwvNk4  
总结 !A|ayYBb\  
CKu
f'h#  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 LP{@r ic  
1.模拟 hgU#2`fS  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 aGx[?}=  
2.研究 C4h4W3w  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 M&h`uO/[  
3.优化 qrLE1b 1$  
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。 c`M ,KXott  
4.分析 AnW72|=A(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 scZSnCrR  
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。