[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） *9Ta0e*  
paCC'*bv  
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 iXLODuI  
b* (~8JxZ  
wzX(]BG  
}9=X*'BO  
简述案例 0>{&8:  
q9+`pj  
系统详情 W;L<zFFbU)  
 光源 '^mCLfo0}  
- 强象散VIS激光二极管 st4z+$L  
 元件 @>:V?  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） @2(7 ZxI  
- 具有高斯振幅调制的光阑 {o>51fXc)  
 探测器 :DWvH,{+&  
- 光线可视化（3D显示） .h c-uaL  
- 波前差探测 nUb0R~wr$G  
- 场分布和相位计算 x;N@_FZ7KY  
- 光束参数（M2值，发散角） X;:qnnO  
 模拟/设计 j}s<Pn%4  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 h
SkI]%  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： [7Fx#o=da  
 分析和优化整形光束质量 lB)%s~P:s  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 D@W[Nd5MJ  
|)5xmN]  
系统说明
&<dC3o!  
t.\<Q#bN#  
mH`K~8pRg  
模拟和设计结果 |NMf'$  
FT'2J  
数值探测器结果 [d dKC)tA  
K%jh6c8  
QH>e_  
L/Tsq=  
<ztcCRov  
总结 sOVbz2\yb  
EN2H[i+,  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 e};\"^HH  
1.模拟 npCiqO  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 !#[B#DZc(  
2.评估 6[x6:{^J  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 JX)%iJq#  
3.优化 ;6)Onwx  
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。 XfZ^,'z  
4.分析 OK]_.v}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 3aY^6&  
WY& [%r  
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。 'G)UIjl  
F=g+R~F  
详述案例 C<B+!16  
N\{{:<Cp\  
系统参数 UG !+&ii|  
%|izt/B  
案例的内容和目标 ,@Fde=Lw  
[,a2A  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 O3JBS^;V2  
"/kTEp  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 EP'I  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {t
%Jc~p{  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 K@<%Vc>L(  
q)f-z\  
模拟任务：反射光束整形设置 "3;b,<0  
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。 ^'G,sZ6'Nh  
BcaX:C?f  
6%A_PP3Z  
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,x'FZD  
<=Z`]8  
SJ8CBxA  
规格：像散激光光束 ExxD w_VGT  
al1Nmc#  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 zL@FN sYVM  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 "6t#
  
Q!ReA{  
&_dM2lj{  
.|g|X8X  
)`,Y^`F2  
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XJrK  
规格：柱形抛物面反射镜 pd\x^F`sk.  
                         b[Qe} `W  
 有抛物面曲率的圆柱镜 iXPe  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 t3 rQ5m
 
 曲率半径等于焦距的两倍 ;^DG P  
9#MY(Hr  
oYR OGU  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） _O;2.M%@  
c( 8>|^M  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ZcE:r+  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ^~DDl$NH  
 离轴角决定了截切区域 b-OniMq~  
_q z^|J  
规格：参数概述（12° x 46°光束） `Kb"`}`_vm  
6d{&1-@>  
   $'%.w|MJp  
\'h
Zm%S  
光束整形装置的光路图 [4 y7tjar^  
"n%0L4J  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 U+ANSW/  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 )cV*cDL1j  
TjY-C m  
反射光束整形系统的3D视图 ?F"mZu  
x2h5,.K  
cnr
aNq1  
/Bs42uJ3  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 !4mg
]~G  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 hCpcX"wND  
B&rw R/d  
详述案例 +rFAo00E|  
bnZ~jOHl  
模拟和结果 L+D9ZE]  
E+z"m|G  
结果：3D系统光线扫描分析 L0X/  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。  /C   
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Xy]Pmt  
N%Uk/ c'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd UUR+PfY  
5j~1%~,
#  
使用参数耦合来设置系统 Ohn?>qQ  
%$[#/H7=W  
vf;&0j&`  
自由参数： &>A<{J@VL  
 反射镜1后y方向的光束半径 u"gtv  
 反射镜2后的光束半径 M2!2J  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） oM(8'{S=  
 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。 *ry}T=  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 YhQ%S}  
CmxQb,Uls  
v2jpao<K  
N4)ZPLV  
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W9!K~
g_  
^m['VK#?  
自由参数： n?:%>Os$  
 反射镜1后y方向的光束半径 g[Q+DT  
 反射镜2后的光束半径 +3[8EM#g  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 
ps_q3Cyp  
 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。 ]Ns)fr6  
I
Xv9mr?H}  
Q.,2G7[ <  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 `8/D
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 i) 5o  
结果：使用GFT+进行光束整形 \b*z<Odv  
(vFO'jtcB-  
v>/_U  
X/ lmj_v  
mtmTlGp6Lc  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 gy Ey=@L  
6aKfcvf &  
^Lv)){t  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 TPVB{ 107  
HCw,bRxm  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 NwyNl  
k~*%Z!V}C  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： *WfQi8  
rXR!jZ.hi  
.: k6Kg  
oA?EJ~%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd yA#nnu1  
$!$,cKPl5  
结果：评估光束参数 zbI|3  
o Vpq*"  
A(*c|A
j9  
 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。 *x:*Q \|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 F+ %l= fs  
c~+KrW
bZ~  
G#fF("Ndu`  
 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。 !/e*v>3u&  
 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） sC A  
,KCxNdg^#-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd i5aY{3!  
)|/%]@` N  
光束质量优化 wjfq"7Q  
@N]]Cf>x  
6{quO#!  
 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。 iK=QP+^VN  
 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）。 cn Ohj  
wXtp(YwlH  
结果：光束质量优化 adPd}rt;  
'Y.6sB  
>p'{!k  
 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。 |nfMoUI  
~1{ppc+  
3l"8_z
LP  
a7685Y  
 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。） O?O=]s u  
4fL`.n1^  
v-BQ>-&
s  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd A"z9t#dv@  
A$i^/hJs  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 FA+"t^q  
_M+7)[xj=  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 #qFY`fVf1  
o7s!ti\G  
{A'
*3(8  
 这意味着参数变化是的正态 #;f50j!r  
B$n1k45  
.)SR3?  
'4SDAa2f  
l6L?jiTl_  
 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。 !*f$*,=^  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ":f]egq -  
\Hdsy="Dnh  
~GcWG4  
I _gE`N  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run T2 S fBs  
|B^Mj57DO  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） uuxVVgWp{  
U E$Ix  
NJ]3qH  
UOk\fyD2[  
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。 Rw|'LaW  
l*6Zh"o:  
总结 -i1 f ]Bd  
NSBcYObX  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6]4#8
tR1_  
1.模拟 ]Axz}:  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 b\"w
/'XX  
2.研究 [F'|KcE3  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 V$sY3,J7A%  
3.优化 @Ns[qn;9  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 UoPY:(?;i  
4.分析 ?^M,Mt  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 |Fi5/$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。