[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） C;:L~
)C@t  
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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 2*wO5v  
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W<>^C2v  
简述案例 j*~dFGl)  
6aZt4Lw2\  
系统详情 RR"WO  
 光源 xZ=FH>Y6'  
- 强象散VIS激光二极管 (X_,*3Yxk  
 元件 Hu(flc+z"  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 6Vbv$ AU  
- 具有高斯振幅调制的光阑 m|2]lb  
 探测器 &Pg-|Ql  
- 光线可视化（3D显示） rjAkpAT  
- 波前差探测 ) UDJ[pL@  
- 场分布和相位计算 ngY+Ym  
- 光束参数（M2值，发散角） ^&';\O@)  
 模拟/设计 Tb0;Mbr  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 q?-3^z%u  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： n &\'Hm  
 分析和优化整形光束质量 E?gu(\an@  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 l^UJ
es!  
1'v!9  
系统说明 ZG/8Ds  
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模拟和设计结果 ]O7.ss/2  
AXh3LA  
数值探测器结果 yg+IkQDf4U  
}EedHS  
>4|c7z4  
Tc
KvSdr'  
h-b5   
总结 *L;pcg8{  
( ztim  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 L;--d`[  
1.模拟 aq0iNbv@  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Dz8:;$/  
2.评估 q1TW?\pjb:  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 .mT#%ex  
3.优化 $\,BpZ }3  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 JIP+ !2  
4.分析 ,jbGM&.C  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 5qd_>UHp  
{7=WU4$  
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 !1~i*P$u  
AvrL9D  
详述案例 ~3'RW0  
9QH
9gdiw  
系统参数 gv#c~cX]  
pFsCd"zv  
案例的内容和目标 8Q^6ibE  
B.22 DuE#  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 <}EV*`w4  

'_.q_Tf-^  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 )+n,5W  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 qY$*#*Q
  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
hgweNRTh!  
15xd~V?ai:  
模拟任务：反射光束整形设置 Q%& _On  
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。 80?6I%UB<  
x)ddRq l  
&c!j`86y*  
%NT`C9][  
M&qh]v gC  
yV:EK{E  
规格：像散激光光束 axK6sIxx  
b^[W_y  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 d~{jEg  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 3Q'[Ee2-3  
#`jE%ONC  
9Z,*h-o  
[=F>#8=  
lAdDu  
bA@ /B'  
规格：柱形抛物面反射镜 9VoDhsKk  
                         ~L%Pz0Gg  
 有抛物面曲率的圆柱镜 &W=V%t>Z  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ;wij}y-6  
 曲率半径等于焦距的两倍 E?30J3S  
m:)Z6  
nG"tO'J6  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） omM&{ }8g  
Y{B9`Z  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 PsU9R#HL1  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） u0m5JD0/  
 离轴角决定了截切区域 7 I_1 #O  
Guk.,}9  
规格：参数概述（12° x 46°光束） :s'o~  
xGYSi5}z  
   9z5\*b s  
k?3S  
光束整形装置的光路图 TZ?Os4+  
}J
RP,YNh  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 A2m_q>> !  
 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。 j*uXB^4  
;% 2wGT  
反射光束整形系统的3D视图 s%eyW _  
iM:yX=>a  
F-_%>KJS  
=%!e(N'p  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 MaZM%W8Z  
 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）。 ^vJ"-{  
hf;S]8|F  
详述案例 Z+g1~\  
z0#-)AeS  
模拟和结果
h}<0/  
3pvYi<<D'  
结果：3D系统光线扫描分析 ]b3/Es+  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 >A-<ZS*N  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 &~RR&MdZ2  
~@{w\%(AK]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd g3Z:{@m  
wZ#Rlv,3Wa  
使用参数耦合来设置系统 ).LTts7c  
pgT9hle/  
COR;e`%,  
自由参数： 8O>}k  
 反射镜1后y方向的光束半径 -;^;2#](g  
 反射镜2后的光束半径
oizT-8i@N  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） d')-7C  
 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。 /D<"wF }@J  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 2K;#Evn'j  
)l_@t(_  
moMYdArj  
X 7=fX~s  
Cezh l  
(:5G#?6,  
u_PuqRcs  
自由参数： x[QZ@rGIW  
 反射镜1后y方向的光束半径 s2FngAM;f  
 反射镜2后的光束半径 6R`Oh uN.>  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） j Fma|y  
 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。 4e +~.5r@i  
hrbo:8SL  
[8"ojhdV  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 LOr|k8t
L%  
#O~XVuvF0  
cq*=|m0}Z  
结果：使用GFT+进行光束整形 c"7j3/p  
_d@=n
K)  
dt_e  
-?<4Og[^  
?vgH"W~3>  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 q@n^ZzTx  
mffIf1f  
RW_q~bA9  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 pQMtj0(y  
EATu KLP\  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 dA_YL?or  
JqCc;Cbd  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： fTqC:r|st  
]u#JuX  
S:q$?$  
'9s5OTkN ;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ^N{ltgQY  
<*|?x86~  
结果：评估光束参数 99=s4*xzM  
""{|3XJe  
-Xz&}QA  
 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。 ]JE TeZ^/  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 <YFY{VC(  
mM
/i^zT  
aRJcSV  
 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\XE,;4>  
 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） W0XF~  
YE}s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 9 [jTs3l:  
Bfr
'Zdw  
光束质量优化 T*~H m  
C+{l7QT$t  
93O;+Z5J  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 9}29&O  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 ] asBd"  
pV(lhDNoQ  
结果：光束质量优化 Xm
1[V&  
@}s$]i$|-  
Thr*^0$C  
 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。 pS[KBQ"F  
nZy X_J,Vd  
T]T;$  
c+dg_*^  
 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。） b;GD/UI  
,#]t$mzbQ(  
AVw%w&|%  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ,8MLoZ_  
\5)htL1F  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 BxK^?b[E8  
sZ&G%o  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 " =] -%B  
up'  
=PHIpFIuk  
 这意味着参数变化是的正态 o4b~4h{%  
l8h&|RY[  
TBrGA E  
hsKmnH@#  
`Y=WMNy  
 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。 qT:zEt5  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 JRMM?y  
'R<&d}@P*#  
efP&xk  
Gfp1mev  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run X^9d/}uTa  
eP.Vd7ky  
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） k>jbcSY(z<  
\dQx+f&t  
&k7;DO  
CSPKP#,B0[  
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。 6 15s5ZA  
G rmzkNlN  
总结 xVL5'y1g B  
'})0!g<Y  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?E%ELs_Dl  
1.模拟 [+m?G4[  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 G`fC/Le  
2.研究 l1U=f]  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 D]a<4a18  
3.优化 *=V7@o  
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。 W|:lVAP.|}  
4.分析 !+)AeDc:j  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 UO*Ymj 1  
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。