[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 1^R@X  
bc5+}&W  
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 $# @G!  
g||{Qmr=1  
LDW"
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}.4`zK&SB  
简述案例 |v}"UW(y  
O$Wt\Y<q  
系统详情 8^$}!9B~JZ  
 光源 9IMtqL&  
- 强象散VIS激光二极管 a|32Pn  
 元件 Wk'KN o  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） on(F8%]zE  
- 具有高斯振幅调制的光阑 G[r_|-^S  
 探测器 57)S"  
- 光线可视化（3D显示） E*7B5  
- 波前差探测 E$34myOVf  
- 场分布和相位计算 HLAWx/c,j"  
- 光束参数（M2值，发散角） ._-^58[  
 模拟/设计 p(%7|'  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 vML01SAi  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： I
_'S|L  
 分析和优化整形光束质量 <dD}4c+/t  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 v
X)JJ|g  
mmAikT#k  
系统说明 [E2afC>zrl  
B=7bQli}  
i15uHl  
模拟和设计结果 A<r@,*(g  
y^pk)`y8  
数值探测器结果 IBf&'/ 8\  
Eg5|XV  
={W;8BUV%^  
<G{m=  
<O?iJ=$  
总结 Zb8Ty~.\P  
Va\dMv-b  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 MJV)| 2C  
1.模拟 IaH8#3+a  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 k)b}"' I  
2.评估 *&+e2itm
p  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ]=2Ba<)m  
3.优化 )(9>r/bq  
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。 4Ucg<Z&%  
4.分析 v
J7I [Z  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。  VD;Ot<%  
nY'0*:'u  
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。 ,_r"=>?@  
-f#0$Z/0  
详述案例 x:88
E78  
~_QZiuq&  
系统参数 (\, <RC\  
2#kR1rJP  
案例的内容和目标 #Bg88!-4  
'+?AaR&p?  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 xM8}Xo  
j5|_SQOmt  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 HlqCL1\<  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 #25Z,UU  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 }Xr-xh\v  
L$cNxz0$  
模拟任务：反射光束整形设置 sNc(aGvy  
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。 @HxEp;*NH"  
"yCCei,hA?  
$\Bzp<SN`  
81eDN6 M\  
7cr@;%#  
--d<s  
规格：像散激光光束 Gi~p-OS,  
iE=Yh  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 i6?,2\K  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }=z_3JfO  
^ llZf$`  
l Q]&:%^\  
= I,O+^  
!Y>lAxd  
<k<K"{  
规格：柱形抛物面反射镜 Rq )&v*=  
                         |!E>
I  
 有抛物面曲率的圆柱镜 vH%AXzIA  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 CnSfGsE>  
 曲率半径等于焦距的两倍 ns[v.YDL  
eqU2>bIf  
Se
N4gr*  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） (9% ki$=}+  
0?KXQD  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 +~?ze,Di  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） U`N|pPe:w  
 离轴角决定了截切区域 (+68s9XS7  
Ni#!C:q  
规格：参数概述（12° x 46°光束） GL[#XB>n  
<nlZ?~
%}  
   11[[HkX@  
usH9dys,  
光束整形装置的光路图 t~ruP',~\  
{STOWuY  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 l9KLP  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 d9>*a$x;/  
o(w!x!["  
反射光束整形系统的3D视图 D9,609w  
'KB\K)cD=3  
|z\5Ik!fF]  
'kb5pl~U  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ;*1bTdB5a  
 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）。 IROX]f}r(  
JBfDz0P  
详述案例 #N^TqOr  
F1)B-wW  
模拟和结果 _;(`u!@/{  
Ec IgX_\  
结果：3D系统光线扫描分析 *vt5dxB  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 aSdh5?  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 %E#OUo[y/  
M4 SJnE  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd LOQoi8j  
A}WRpsA9  
使用参数耦合来设置系统 g
whd) .*  
@)PA9P |  
xxkUu6x#  
自由参数： !+T\}1f7d  
 反射镜1后y方向的光束半径 Py7!_T
X  
 反射镜2后的光束半径 W9n0Jv  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ]T|9>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。 Q
R4rQu  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 uw!  
h07Z.q ;  
]@X5'r"  
MJNY#v3  
d\aKGq;8C  
<"A|Xv'Q  
[M>Md-pj  
自由参数： 7jvy]5y8&~  
 反射镜1后y方向的光束半径 N<lejZ}!q  
 反射镜2后的光束半径 dv=y,q@W  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \{r-e  
 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。 3 i<,#FaL  
j !^Tw.Ty  
U |I>CDp  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ?_mcg8A@@*  
- s[=$pDU  
!`5[(lm  
结果：使用GFT+进行光束整形 lOIBX@K E  
<!b~7sZkTc  
+Qy*s1fit  
",/3P
T  
5`qt82Qm  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 dmh6o
 *  
@3`:aWda  
Z$qFjWp  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 HScj  
BiGB<Jr  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ~\= VSwJ  
$r`K4g  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： \#4??@+Xf  
l`lo5:w  
`nBCCz'Y!  

&qw7BuF  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd F) w.q  
@L^Fz$S
x  
结果：评估光束参数 *r!f! eA:  
l;i,V;@t  
_&S?uz m  
 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。 TDI8L\rr  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 >55c{|"@L  
a<X8l^Ln  
&
`>[4D*  
 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。 }~P%S(zB  
 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） kp3(/`xP  
|8I
#`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd OJd!g/V  
(;utiupW  
光束质量优化 [6x-c;H_4  
KTn,}7vZ  
w:Ui_-4*>  
 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。 1-Fg_G}|6  
 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）。 =4GJYhj  
RZ)sCR  
结果：光束质量优化 4R!A.N
9  
H5t 9Mg
|  

8@%Xd^
 
 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。 $ tf;\R  
4 -)'a} O  
`-zdjc d  
?]%JQ]Gf*  
 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。） "bZV<;y6  
$q*kD#;mh  
';`fMcN  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd A^7!:^%K  
&pwSd  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 G yZYP\'S+  
8+vZ9!7  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 {#q']YDe`  
"sLdkd}dj  
T!$7:% D  
 这意味着参数变化是的正态 =jD[A>3I  
1@IRx{v$  
)/k0*:OMyO  
Wz$%o'OnC  
.4={K)kz|F  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 H e]1<tx  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 `}o4&$  
`NA[zH,w3  
G%)?jg@EA  
Wd4fIegk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 7}bjJR "  
GZT}aMMSJ  
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） <B

5^  
P# 2&?.d\  
bb;fV  
>4TJH lB}8  
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。 *ggTTHy
 
bHlG(1uf  
总结 EQPZV K/  
AIsM:sV]  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +C7 1".i-  
1.模拟
Pg[zRRf<  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 b3b 4'l   
2.研究 J#*Uf>5NY  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 bGRI^ [8#+  
3.优化 LLmgk"  
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。 >7!aZO  
4.分析 /rp4m&!  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 &QE^i%6>\  
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。