[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） +'ADN!(B_  
]1dnp]r  
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 *R_mvJlT  
~ \3j{pr  
"bmWr)  
j1i<.,0g  
简述案例 %<rV~9:  
UC*\3:>'n  
系统详情 Z9p`78kYyh  
 光源 =67tQx58  
- 强象散VIS激光二极管 +sm9H"_0  
 元件 _J ZlXY  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） PlC8&$
  
- 具有高斯振幅调制的光阑 \ ~uY);  
 探测器 sA:k8aj  
- 光线可视化（3D显示） lEr_4!h$rZ  
- 波前差探测 cqZuG}VR  
- 场分布和相位计算 0UN65JBuD  
- 光束参数（M2值，发散角） @mm~i~~KA  
 模拟/设计 $guaUe[x  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 i7|sVz=  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 0`~#H1TK  
 分析和优化整形光束质量 .3:s4=(f  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 sV$Zf `X)  
2&KM&NX~  
系统说明 +WfO2V.
 
4H@K?b`  
~7O.}RP0  
模拟和设计结果 $e/[!3CASP  
/;V:<mekf  
数值探测器结果 jrLV\(p  
 Jknit  
;pVnBi  
4Tn97G7  
HE.YfD)  
总结 yd~}CF  
XFJz\'{  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 D\ kd6  
1.模拟 Og/@w&  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 y8/+kn +  
2.评估 Q/y"W,H#  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 54>gr1B  
3.优化 OiJz?G:m  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 K/IG6s;Xj  
4.分析 bPHtP\)  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ! ~3zp L  
c^W \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。 [*W l=  
Rw]lW;EN<  
详述案例 Qzq3{%^x_  
L)-1( e<x  
系统参数 Cs?[ 
 
atYe$Db  
案例的内容和目标 :7 OhplI  
Eq/oq\(/6  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 M)Z3q  
~=i<O&nai  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2x<4&^  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 aZB$%#'vR  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 7J[s5'~|  
q&d5V~q  
模拟任务：反射光束整形设置 fUa[3)I  
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。 &8M^E/#.^;  
U_61y;Q"  

>Q% FW  
la{Iqm{i  
KreF\M%Ke  
}&Kl)2:O  
规格：像散激光光束 NhF<2[mt  
I`4k5KB;  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 <MzXTy3\  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 i[40p!~  
iJVm=0WS^  
hB??~>i3  
rLx'.:  
2{I+H'w8:  
.g52p+Z#  
规格：柱形抛物面反射镜 cd:VFjT  
                         XO,gEn&6V  
 有抛物面曲率的圆柱镜 }Sv\$h  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 E-"b":@:  
 曲率半径等于焦距的两倍 vuO~
^N]G  
C*&FApG  
E)]RQ~jY?  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 1rGi"kdf  
At)\$GJ  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Kl]LnN%A{  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） cC7&]2X +f  
 离轴角决定了截切区域 J8#3?Lp  
J*m~fZ^  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Z
t"3g6S  
4">
C0m;ks  
   z,IUCNgM  
dO|n[/qL0  
光束整形装置的光路图 W}rLHAaDh  
|tdsg  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 8s)(e9Sr  
 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。 9f_Qs4  
R(W}..U0R"  
反射光束整形系统的3D视图 ,<O|Iis  
b2G1@f.U  
|[/'W7TV%?  
X-}]?OOs  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Xn*>qm  
 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）。 IXof-I%8  
=}m'qy  
详述案例 uL9O_a;!  
`&5_~4T7  
模拟和结果 C[Nh>V7=  
bPUldkB:  
结果：3D系统光线扫描分析 23*OuY  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 akV-|v_  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4StoEgFS  
(Qj;B)
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /j;HM[  
734<X6^1  
使用参数耦合来设置系统 #kRt\Fzq  
uE-|]QQo  
h$$2(!G4  
自由参数： $J!WuOz4^i  
 反射镜1后y方向的光束半径 B)=)@h[f  
 反射镜2后的光束半径 #?klVK&e/  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 3fdqFJ O  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 O 2W2&vY  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 !A'3Mw\Nm  
eh}I?:(a?  
%%qg<iO_  
 wjfc9z  
pv@w 8*  
Z@6xu;O  
`=19iAp.  
自由参数： cxc-|Xori  
 反射镜1后y方向的光束半径 ZfnJ&H'  
 反射镜2后的光束半径 ;(Kj-,>  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） l?:S)[:  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 lnv&fu`1P  
\.Z /  
-v{LT=,O  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ~w"e 2a  
K-4o_:F  
(
R
-(  
结果：使用GFT+进行光束整形 ]7J*(,sp  
.'zcD^  
jYE ?wc+FT  
^|ul3_'?  
\vF*n Z5/  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ~%QI#s?|  
UYvdzCUh  
Hl=M{)q@   
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 3h**y %^  
@|d+T"f  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
ChRCsu~  
r
H9[x8e  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： k]~|!`  
&FY7 D<  
5;X3{$y  
OEhDRU%k  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd l,:>B-FV  
jq(QL%)_O  
结果：评估光束参数 U~O*9  
O]80";Uv  
_6]c f!H  
 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。 Y%Tm `$^V  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 {C5-M!D{<  
g
96]>]A<{  
M+-1/vR *@  
 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。 $Qcr8~+a  
 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） DvY)n<U1qA  
)uC5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd yQE9S+%M  
(x140_TH~  
光束质量优化 h7J4 p  
8XD_p);Oy  
Huf;A1.  
 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。 %nhE588xf  
 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）。 StU9r0`  
]:.9:RmEV  
结果：光束质量优化 Vw+RRi(  
495A\8#  
#PQhgli  
 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。 b]
~  
E^? 3P'%^  
X1o=rT  
=O>E>Q  
 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。） |vgYi  
qL~|bfN  
TnJJ& "~3b  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 2q ~y\fe  
k
;Ask#rs  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 =`.OKUAn  
G3j'A{  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Le*gdoW.  
hE;BT>_dn  
w3jcit|  
 这意味着参数变化是的正态 b=XHE1^rM  
]}L tf,9  
WB3YN+Xl3  
RLbo  
|Q$9I#rv  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 rkn'1M
&u  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ,D2nUk  
pMzlpmW;P  
t4<+]]   
eu0jjeB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run h@fF`  
F&a)mpFv3c  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） GuKiNYI_  
?[2>x{5Z  
3o`c`;H%p  
@.} @K  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 'mk_s4J  
l`."rei%)  
总结 mZ~f
?{  
\nU_UH  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 f47dB_{5f.  
1.模拟 Or:P*l  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ,AwX7gx22  
2.研究 ^wz 2e  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 @|<qTci  
3.优化 .q|k459oi  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ._TN;tR~'  
4.分析 \e~5Dx1  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 "~L$oji  
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。