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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    科学家
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2023-03-30
    光束传输系统（BDS.0005 v1.0） [pms>TQ2  
    OE[7fDe'  
    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 /)v+|%U  
    ?v,c)  
     [ {"x{;  
    &b~ X&{3,  
    简述案例     %gn@B2z  
    vD2(M1Q  
    系统详情 ai/]E6r  
    光源 "< Di  
    - 强象散VIS激光二极管 p".wqg*W  
     元件 vC&0UNe$  
    - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 8T.bT6  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 C&@'oLr  
     探测器 `Gxb98h/r  
    - 光线可视化（3D显示） )M.g<[= ^  
    - 波前差探测 `tO t+>YWn  
    - 场分布和相位计算 x_8sV?F  
    - 光束参数（M2值，发散角）  [A,!3BN  
     模拟/设计 3 u=\d)eq  
    - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 G$_)X%Vb I  
    - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Qd~7OH4Lp  
     分析和优化整形光束质量 gs0 jwI  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 ^Rl?)_)1HE  
    }'{"P#e8"q  
    系统说明 1Q^u#m3  
    jB9~'>JY  
    V@RdvQy  
    模拟和设计结果 LIJ#nb  
    e6J>qwD?  
    (-1{W^(  
    场（强度）分布                                   优化后
    数值探测器结果 'G[G;?F  
    nIlx?(=pu  
    w"D1mI!L 7  
     Y]~-S  
    xIc||o$  
    总结 3XUVUd~  
     ?t}s3P!Q3w  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <  j  
    1.模拟 *>2FcoN;  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 v 9G~i  
    2.评估 AW_YlS  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 19% "F!^i  
    3.优化 "tO 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。 V_^pPBa  
    4.分析 ?|oN}y"i  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 pi70^`@'B  
    ZJFF4($qN  
    对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 aox@- jyr  
    : maBec)  
    详述案例 #u"@q< )  
     1DU l<&4  
    系统参数 nT~XctwF  
    %#EzZD  
    案例的内容和目标 2u0B=0x  
     U7fNA7#x"  
    在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 s LDEa  
    04-@c  
    XdzC/ {G  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 iBWEZw)  
     之后，研究并优化整形光束的质量。 mJ[_q >  
     另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `CL\-  
    E@Ewx;P5  
    模拟任务：反射光束整形设置 b{<$OVc  
    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。 J_XkQR[Y  
     ?|`n&HrP  
    ;K4=fHl  
    AU}|o0Ur  
    7^@ 1cA=S  
    qUg/mdv&  
    规格：像散激光光束 yI!W658$6  
    Jv%)UR.]  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 Uw5&.aqn.b  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 V'za,.d-  
     "NEKz  
    c/F!cW{z^  
    Qi qRx  
     P uQ  
    {65Y Tt%  
    规格：柱形抛物面反射镜     FyXO @yF  
                             :YLYCVi|  
     有抛物面曲率的圆柱镜 1j}e2H  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面  YO fYa  
     曲率半径等于焦距的两倍 z)eNM}cF  
    <)J@7@!P  
    XfEp_.~JM  
    规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） @.dM1DN)  
    ;<cCT!A  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 ,#^2t_c/  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 31]Vo;D  
     离轴角决定了截切区域 >h9~ /  
    =:TQ_>$Nc2  
      
    规格：参数概述（12° x 46°光束） n(n7"+B  
    n"~K",~P  
       {)kL7>u]^V  
    jrm^n_6};  
    光束整形装置的光路图 <I?f=[  
    .7Pp'-hK  
    w8KxEV=  
     由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 )1YGWr;ykS  
     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。 R$it`0D4o  
    or)fx/%h  
    反射光束整形系统的3D视图 ?H{?jJj$H  
    0G'v4Vj0'  
     h7xgLe@  
    qr*e9Uk^  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 k<o<!   
     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）。 '81Rwp  
    OaByfo<S  
    详述案例 J3r':I}\  
    )Dcee@/7S  
    模拟和结果 xKT;1(Mk  
    k?Zcv*[)D+  
    结果：3D系统光线扫描分析 =wl0  
     首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 $ M|vIw{#  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 COH.`Tv{*  
    nXh<+7  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd MGo`j:0  
    /pGx !  
    使用参数耦合来设置系统 0U2dNLc  
    X`]>J5  
    j{m{hVa  
    自由参数： LH~ t5  
     反射镜1后y方向的光束半径 eW_EWVH  
     反射镜2后的光束半径 (d[JMO^@8  
     视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） On@p5YRwW  
     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。 %!L*ec%,  
     对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 uBaGOW|Pl  
     "(a}}q 9-  
    PJh97%7  
    25;`yB$  
    L$ju~0jl)%  
    c,*a|@  
     H .sfM   
    自由参数： (B].ppBii  
     反射镜1后y方向的光束半径 n+'s9  
     反射镜2后的光束半径 i_$?sg#=yk  
     视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4DGKZh'm"  
     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。 T zHR  
    Wk/Il^YG  
    tqU8>d0^  
     如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 =?hbi]  
    tkdyR1-  
    YgkQF0+  
    结果：使用GFT+进行光束整形 G;AV~1i:~  
    >>>MTV f  
    `u8=~]rblj  
    D._7)$d  
    SsIN@  
     现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 O$Dj_R#  
    CyJZip  
    ~A>-tn}O  
     由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 e/IVZmUn^  
    @])}+4D(S  
     不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 \j vS`+  
    wq#'o9s,  
     产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ;BEX|w xn  
    < 'r<MA<  
    5S #6{Y =  
    ">R`S<W  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd fR lJ`\ t  
    p,2H8I){  
    结果：评估光束参数 [i]%PVGW  
    8j@ADfZ9  
    S%w67sGl4n  
     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。 9OM&&Ue<E  
     在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 zXeBUbVi  
    |Fzt| \  
    R!_1*H$  
     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。 { *Wc`ZBY  
     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） au7@-_  
    :,MI,SwnS  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $/P\@|MqYQ  
    d|$-l:(J  
    光束质量优化 rj;~SC{  
    ] iiB|xT  
    i&,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。 DOW Z hD  
     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）。
    g);.".@"  
    7, :l\t  
    结果：光束质量优化 t? _{  
    5ZHO+@HiFH  
    @XX7ydG5  
     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。 kX'a*AG  
    @|Hx >|p  
    Y/34~lhyl  
    qnU$Pd  
     然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） hKFB=U  
    *(Us:*$W.  
    @-}!o&G0  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 6)#%36rP  
    )yv~wi  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 !o/;"'&E  
    .h;X5q1  
     对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 {:BY IdX  
    C<iOa)_@Q  
    LfG$?<}hR  
     这意味着参数变化是的正态 \AB*C_Ri  
    hUMFfc ?  
    q|R$A8)L.  
    (`K ~p Z  
    Y t0s  
     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。 ))#_@CwRr  
    这意味着，波前对对齐误差很敏感。 }{ "RgT-qG  
    f n\&%`U  
    c jBHczkY  
    :X- \!w\  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run T ^z M m  
    .[X"+i\  
    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） C)qP9uW  
    82Nw 6om6i  
    tsqWnz=)  
    JWs?az  
    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。 h5m6 )0"  
    . aqP=  
    总结 q e;O Ox  
    tM{U6k  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7)+%;|~  
    1.模拟 {_*$X  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 X+k`UM~  
    2.研究 W/I D8+:i  
    为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 lIL{*q(  
    3.优化 |m>n4 -5QL  
    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。 h2Jdcr#@FF  
    4.分析 ||sj*K  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 AA0zt N  
    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。
     
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