[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） |g!$TUS.  
6Xn9$C)  
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 wZ`*C mr  
szqR1A  
w}97`.Kt!n  
zTq"kxn'  
简述案例 ,CBE&g  
F
[B=sI  
系统详情 " w /Odd  
 光源 $ \!OO)  
- 强象散VIS激光二极管 6!Mm")  
 元件 #*S.26P^4  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） f"4w@X2F  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Hh&qjf  
 探测器 Aeq^s  
- 光线可视化（3D显示） ~?iQnQYI  
- 波前差探测 @'P
ay)P  
- 场分布和相位计算 S*76V"")  
- 光束参数（M2值，发散角） EAC
I>  
 模拟/设计 h>Z`&  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 \nTV;@F  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ^ME'D  
 分析和优化整形光束质量 xbCQ^W2YU|  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 YPKB4p#  
rodqa  
系统说明 Mlbc
Jo3  
sQ[N3  
Le/}xST@  
模拟和设计结果 \lwLVe  
D'%O<.m  
数值探测器结果 "kVzN22  
|v1* [(  
,.|/B^jV  
R`Hy0;X  
:FmH=pI!=  
总结 6 =G=4{q  
aej'cbO  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Y%}N@ ,lT  
1.模拟
cT;Zz5  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 j^hLn>  
2.评估 rrphOG  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 mGJRCK_  
3.优化 `z7,HJ.0c  
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;juwc^n}  
4.分析 Pl2eDv-y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 a#9pN?~  
{r5OtYmpR  
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。 Tv 5J  
q_9 tbZ;  
详述案例 <:8Ew  
h 'Hnq m  
系统参数 _w'_l>I  
0f'LXn  
案例的内容和目标 ip1gCH/?_+  
hp2$[p6O  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 iHvWJ<"jR  
-_O jiQR  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 +B&+FGfNU  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 !E)|[:$XT  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Qam48XZ >  
7lKatk+7K  
模拟任务：反射光束整形设置 {l
giH+:  
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。 q1ZZ T"'  
]M'~uTf  
MpIiHKQ G9  
E\p"%  
<vD(,||  
4GXS(  
规格：像散激光光束 [8 H:5Ho  
( 5uSqw&U  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束

ooC9a>X  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 TNK1E  
M* {5> !\  
cL~YQJYp  
BL"7_phM,  
<td]k%*+  
J(wFJg\/  
规格：柱形抛物面反射镜 Htln <N  
                         t*u#4I1  
 有抛物面曲率的圆柱镜 =);@<Jp  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 1uB$@a\  
 曲率半径等于焦距的两倍 & d$X:  
*JQ*$$5  
$J&c1  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 5}Xi`'g,  
g-]~+7LL  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 j]vEo~Bbh  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 4??LK/s*  
 离轴角决定了截切区域 U=U5EdN;  
yf4L0.  
规格：参数概述（12° x 46°光束）  ts=:r  
tV>qV\>  
   2% OAQ(  
,CuWQ'H  
光束整形装置的光路图 %H,s~IU  
3dolrW  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 5C^@w
 
 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。  5sN6&'[  
lBAu@M  
反射光束整形系统的3D视图 =9,^Tu|  
Mw)6,O`  
a(ITv roM/  
%\n|2*r  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 GG +
T-  
 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）。 @qj]`}Gx'  
7mM
MVz2  
详述案例 Jmi,;Af'/  
!\9^|Ef?  
模拟和结果 I0z7bx  
S6a\KtVa  
结果：3D系统光线扫描分析 x;\/Xj;  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ={V@Y-5T  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Ki7t?4YE  
 (/,l0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0y?;o*&U\  
KB(W'M_D\  
使用参数耦合来设置系统 Q~VM.G  
2Q5@2jT  
nJ xO.wWE  
自由参数： & d2`{H  
 反射镜1后y方向的光束半径 KAI2[ gs  
 反射镜2后的光束半径  X0$q!  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） x&0kIF'lq  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 8T6NG!/  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 -)VjjKz]8  
\=bKuP(it  
nPqpat`E  
x
\8|A  
N&?V=X  
a.}#nSYP  
r~ 2*'zB  
自由参数： (;%T]?<9#  
 反射镜1后y方向的光束半径 i/1$uQ  
 反射镜2后的光束半径 $D#h, `  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） f:<BUqa  
 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。
p\lR1  
'xGhMgR;  
M(LIF^'U:m  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 C&MqH.K  
hpb|| V  
#~"IlBk\  
结果：使用GFT+进行光束整形 ^MF 2Q+  
1BZ##xV*:G  
]rH[+t-  
D5snaGss9a  
XGH:'^o_  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 X3kFJ{  
jqc}mI\#  
nW7: ]  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 >19s:+  
~$5XiY8A  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 YZ4`b-  
,.>9$(s  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： X~0-WBz  
-ZZJk-::  
PENB5+1OK  
8Sj<,+XFq  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd C|TQf8  
>{tn2Fkg>  
结果：评估光束参数 zdRVAcrwQ  
tjb$MW$('  
n-cI~Ax+4  
 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。
"5~?`5Ff  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 R P<M  
EOXkMr  
S3Gr}N  
 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。 J'X}6Q  
 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） [07E-TT2U  
r+E!V'{C  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 8:V,>PH  
VPYLDg.'  
光束质量优化 w a(Y[]V  
W6NhJ#M7  
KYm8|]'g  
 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。 Jj>Rzj!m  
 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）。 uhfK\.3  
D5P-$1KPt  
结果：光束质量优化 h$!YKfhq}
 
mnK<5KLg1  
)LFbz#;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。 3Z9Yzv)A  
C?gqX0[ q  
Za|iU`e\  

M1-tRF  
 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。） DPxx9lN_rx  
5.{=Op!  
XKky-LeJ  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd cLf90|YFp  
49=pB,H;H  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Q^2dZXk~  
5_E8 RAG  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Rh^@1{yr  
M11\Di1  
HZRFE[ 9nb  
 这意味着参数变化是的正态 it\$Pih]  
`KA==;0  
?YL JXq
 
?m]vk|>  
SqPqL<,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。 lz#.f,h  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 {im?tZ,  
:k1?
I'q%  
q x)\{By  
erEB4q+ #O  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Ip{R'H
G/  
piM4grg \  
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） kiM:(=5  
!VWA4 e!+  
\[3~*eX6  
D}
y W:Pi'  
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。 gxVr1DIkN  
<jV,VKL#  
总结 (2H GV+Dg  
lg-_[!4Z  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yk?bz  
1.模拟 HC$%"peN1b  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 aJ(/r.1G  
2.研究 ;
99oJD,  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ; oa+Z:;f  
3.优化 0o>C, `  
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。 uxTgK'3  
4.分析 pmB {b  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 HfSx*@\s  
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。