[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） _SQ]\Z  
)~#3A@  
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 cK'}+  
'N/u<`)  
y~wN:  
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简述案例 5w</Ga  
~_ko$(;A  
系统详情 4cDe'9 LA  
 光源 isz-MP$:K5  
- 强象散VIS激光二极管 MFqb_q+  
 元件 L"( {6H  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ty8E;['  
- 具有高斯振幅调制的光阑 m2Wi "X(I_  
 探测器 3GXmyo:o$  
- 光线可视化（3D显示） }q:4Zh'l!  
- 波前差探测 P#AS")Sj  
- 场分布和相位计算 'NDr$Qc3  
- 光束参数（M2值，发散角） JY$;m3h  
 模拟/设计 l@>@2CB  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Lo}zT-F  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 5zH_yZ@+  
 分析和优化整形光束质量 #m3!U(Og`  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 FMC]KXSd  
H )Ze{N  
系统说明 iT</  
tQ`|MO&o  

KR>o 2  
模拟和设计结果 MK <\:g  
"fu@2y4^  
数值探测器结果 P3TM5  
6Z{(.'Be  
RT[E$H  
ZN!<!"~  
yER  
总结 U"L-1]L  
Bx|h)e9  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 5)ooE  
1.模拟 Cw~fP[5XMF  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 <A&Zl&^1  
2.评估 9yj'->dL  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ^t,haO4  
3.优化 ,Eo\(j2F.  
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。 FDuIm,NI  
4.分析 "lL/OmG  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 _U Y5  
4j<[3~:0 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。 }+K=>.  
?3<Y/Vg%c  
详述案例 j k&\{  
J@qLBe(v  
系统参数 Fm+V_.H/;  
,?w
xW  
案例的内容和目标 {5c]\{O?[  
m1M6N`f  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ow#8oUf=  
=tl~@~pqI  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ;&MnPFmq  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 wqgKs=y  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Q|G|5X  
/`j2%
8^N  
模拟任务：反射光束整形设置 \+k~p:d_8  
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。 ^,` L!3  
\ZBz]rh*  
BqtN=  
kR{$&cE^  
Q<(aU{  
#It!D5A  
规格：像散激光光束 j3j^cO[8v  
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]1g*~%  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 JY3!jt
v
 
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 WZ UeW*#=  
t|*UlTLm  
1D%E})B6  
UI*&@!%bzp  
l|M|;5TW  
\8USFN~(Y  
规格：柱形抛物面反射镜 Mo4c8wp&SM  
                         A>\3FeU>UC  
 有抛物面曲率的圆柱镜 <eZrb6a'  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 fyxc4-D  
 曲率半径等于焦距的两倍 3;R`_#t+  
.I%B$eH  
T#HF!GH]  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） \\35} 9  
/bmkt@$-0  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 }d@;]cps  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ri4:w_/{,Y  
 离轴角决定了截切区域 OXZx!h  
#hXuGBZEI  
规格：参数概述（12° x 46°光束） .ZM0cwF  
?"@SxM~\  
   845\u&  
^Zlbs goZ  
光束整形装置的光路图 "@rHGxK  
(U:6vk3Q  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 PmT<S,}L  
 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。 |C>\ku*  
a&[>kO  
反射光束整形系统的3D视图 <80M$a g  
{'#7b# DB>  
oUB9)C~  
#q8/=,3EG  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 J~ wu*x  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 nFwdW@E9  
^$<:~qq!  
详述案例 <f0yh"?6VH  
X"%eRW&qu/  
模拟和结果 Y>K8^GS  
?XVox*6K&  
结果：3D系统光线扫描分析 UN:cRH{?*  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 U[:Js@uH_  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ZT+{8,  
WrR8TYq9D]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {6F]w_\  
9xL`i-7]  
使用参数耦合来设置系统 ~u r}6T  
<XzRRCYQ  
)7Oj  
自由参数： ?l`|j*  
 反射镜1后y方向的光束半径 FQcm=d_s  
 反射镜2后的光束半径 %t$)sg]  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ")w~pZE&+  
 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。 #c-Jo[%G  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 2gnz=  
Ub[UB%(T  
oM,UQ!x<  
wL&[Vi_j{  
}mS+%w"j  
ictOCF  
,_:6qn{  
自由参数： H+Q_%%[N  
 反射镜1后y方向的光束半径 t<cWMx5ra  
 反射镜2后的光束半径 I!.-}]k  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） F^Mt}`O  
 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。 !KHbsOT?9  
p(A[ah_  
r6kQMFA  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 DhG{hQ[[  
W;8}`k  
5gwEr170  
结果：使用GFT+进行光束整形 $EZr@n  
M2nZ,I=l  
ST\d-x  
n'@XgUI,  
?q"9ZYX<  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 C0L(ti;  
O! w&3 p  
l{. XhB  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Vje LPbk)  
?)4c!3#  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ;5}"2hU>  
Q5;EQ.#  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ts=+k/Z  
NaeG)u#+  
>F/5`=/'h  
)lVplAhZD  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd $"Nqto~  
q?#w%0}  
结果：评估光束参数 -J++b2R\%  
9bD ER  
xGX U7w:X  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 @oFuX.  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 OWmI$_L  
=7zvp,B  
~93+Oxg  
 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。 7[(<t+  
 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） </qli-fXB}  
MG$Df$R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd tEllkHyef  
k7bfgb{  
光束质量优化 n^rzl6dy  
1!2,K ot  
$9<P3J 1  
 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。 7XiR)jYo*  
 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）。 1Gk'f?dw  
.p\<niu7  
结果：光束质量优化 ;5=5HYx%  
['@R]Si"!  
C?PgC~y)  
 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。 iR4!X()  
Evq^c5n>{  
$:*/^)L  
\@*D;-b  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 9'h4QF+Y  
UC?i>HsJrX  
>^d+;~Q;  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd =p$:vW
 
O%busM$P)/  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 EP]OJ$6I  
(1;%V>,L  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 %hb!1I  
 c|~f[  
LF_am*F  
 这意味着参数变化是的正态 M1=y-3dW3  
\ dZD2e4  
2]-xmS>|b  

_iW-i  
GZNfx8zsY+  
 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。 ^+Stvj:N  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Ck^jgB.7  
5\P3JoH:Yg  
1$rrfg  
F7qQrE5bl  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run %z AN@  
/mFa*~dj2  
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） V?+Y[Q  
|>AHc_:$$  
#kL4Rm;  

t[?O*>  
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。 j?9fb  
`1)n2<B  
总结 )l*6zn`z  
>-<7 r?~  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +#0,2wR#  
1.模拟 'P<T,:z?  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 9Y-6e0B:  
2.研究 \j3XT}  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9x[|75}l  
3.优化 IBe0?F #  
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。 5K %  
4.分析 V/i7Zh#2:  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 b0"R |d[i  
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。