[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 00s&<EM  
43_;Z| T  
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 )C>4?)  
qf7:Q?+.|  
o)w8 ]H/  
9G)Sjn`AQ  
简述案例 w.s-T.5.j  
Fqtgw8  
系统详情 dOm`p W^  
 光源 V?KACYd@O  
- 强象散VIS激光二极管 ;qM I3wF  
 元件 B^4D`0G[4  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） kz4d"bTb  
- 具有高斯振幅调制的光阑 9OIX5$,S;  
 探测器 $@ /K/
"  
- 光线可视化（3D显示） 'k|?M  
- 波前差探测 {\tHS+]  
- 场分布和相位计算 HK~uu5j  
- 光束参数（M2值，发散角） Bvbv~7g(  
 模拟/设计 R <kh3T  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 \W^Mo>l  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Ie3 F  
 分析和优化整形光束质量 ce/Z[B+d  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 $i# 1<Qj  
jVh I`F{n  
系统说明 7MX nt5qUh  
Xy_ <Yqx}  
iTb k]$  
模拟和设计结果 ;Od;q]G7L  
P(z#Wk  
数值探测器结果 uXxc2}  
li>`9qCm
I  
[8Zq 1tU;G  
k_A.aYe  
]<3$Sx_{y  
总结 Ave{ `YD  
Bq}p]R3X  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Z4eu'.r-y~  
1.模拟 gHU/yi!T  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Ift @/A  
2.评估 Q4YIKNN|7  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 g[P.lpi{U  
3.优化 WM8 Ce0E  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 vfW  
4.分析 Vq)6+n8o  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 GWs[a$|  
_O!)aD  
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。  ZzDE  
<8yv(  
详述案例 zbL!q_wO  

!ueyVE$1  
系统参数 d',OQ,~{  
!L3M\Q0  
案例的内容和目标 Q}G'=Q]Juz  
h> K~<BAz'  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 }P[xZ_S1  
@=Kuo
IV  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 5l"EQ9  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 B1]5%B  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
f<.43kv@  
$4yv)6G  
模拟任务：反射光束整形设置 z
h2gU@"  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 w6F'rsko]  
?A|8J5EV  
Z
 P\A  
chjXsq#Q^  
%vPs38Fks  
YmP`Gg#>p  
规格：像散激光光束 E|u#W3-:  
yRQR@  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 aL\vQ(1zO  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 LqnN5l@_B  
Y)@mL~){  
oXA3i  
"eWN52  
voRr9E*n  
Y9rW_m@B  
规格：柱形抛物面反射镜 Eq>3|(UT  
                         4_3O?IY  
 有抛物面曲率的圆柱镜 -!E))|A  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 @WIcH:_w-  
 曲率半径等于焦距的两倍 ,#G>&  
as\6XW$;Q  
Yk',a$.S  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） >sAZT:&gv  
9W$d'IA  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 (P;z* "q  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） G{*m] 0Q  
 离轴角决定了截切区域 +hdD*}qauC  
*hI  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ` aTkIo:ms  
C2GF N1i  
   d4c-(ZRl  
&IGTCTBP  
光束整形装置的光路图 1 h(oty2p  
rK%<2i  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 TK.a6HJG  
 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{$+\  
X+;
F5b9z  
反射光束整形系统的3D视图 nenYP0  
b#h?O}  
Q+/:5Z C  
%)
[mbb  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 reml|!F-)  
 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）。 2kV[A92s  
S -j<O&h~C  
详述案例 .5+*,+-  
<VD^f  
模拟和结果 Hl"rGA>  
j.MpQ^eJ7  
结果：3D系统光线扫描分析 -L>\58`  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 `{fqnNJE  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 2 g"_
*[  
mIVnc`3s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd a~YFJAkg9  
O/\L0\T  
使用参数耦合来设置系统 6|U0"C#]  
*_d+cG  
/sY(/ JE  
自由参数： Q+|8|V}w  
 反射镜1后y方向的光束半径 eUvIO+av  
 反射镜2后的光束半径 <VV./W8e9  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Q!/<=95E  
 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。 U,"lOG'  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 %zE_Q  
<{@?c  
$Gb] K{e  
Tj@}O:q7:  
REnd# V2x  
^.Cfa  
2SU G/-P#  
自由参数： pq[RH-{  
 反射镜1后y方向的光束半径 xB{
0lI  
 反射镜2后的光束半径 YK*2
 
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） EqzS={Olj  
 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。 a5WVDh,cR  
>B$ZKE  
~Nf01,F  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 =W)Fa6P3j(  
rP.qCl+J  
mfOr+   
结果：使用GFT+进行光束整形 "-xm+7  
>nmby|XtW  
,>CFw-Nxu  
RWmQP%A}aw  
lbrob' '+  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 DUf=\p6`f  
kvs^*X''Ep  
QytqO{B^  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 [0CoQ5:d?&  
%Qc#v$;+J  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 7uJy<O  
DG8]FhD^b  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： /b,+YyWi%  
2|F.JG^  
a$Eqe_  
xdp!'1n."g  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd L>$yslH;b  
[oOZ6\?HB  
结果：评估光束参数 zsA6(?)u  
3:jKuOX  
zR h1  
 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。 [P)'LY6F  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 y %Get  
bTZ/$7pp9  
I_.(&hMn  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 # 'G/&&<  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） 2D`@$)KL  
SQ5SvYH  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd @PuJre4!;L  
$s.:wc^  
光束质量优化 v=nq P{  
|J2_2a/"  
cv;&ff2%?  
 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。 w[\*\'Vm0  
 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）。 bW<_K9"  
t,= ta{ a  
结果：光束质量优化 <&TAN L  
,eOOV@3C  
6~?7CK  
 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。 o
wZjQ  
1B=vrGq  
H,tx
bJ  
EiWy`H;  
 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。） Qi2yaEB  
<ro0}%-z>M  
1i#uKKwE  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd NUiZ!&  
~\4l*$3(^  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 n[n0iz1-  
l_iucN  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 4>>{}c!nf  
WK0?$[|=r  
A=!&2(  
 这意味着参数变化是的正态 hLGUkG?6G  
AuHOdiJ  
z %{>d#rw  
|\@e  
nH}api^0A  
 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。 (f5!36mz  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 OP]=MZP|  
A?|KA<&m#u  
/XS6X  
5^cPG" 4@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run mfFC@~|g  
'VFxg,  
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） 5p"n g8nR  
H`]nY`HYg  
mm/U9hbp%  
>WE3$Q>bi  
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。 ?|TVz!3  
^tsIgK^9H  
总结 LdI
)  
/:>qhRFJA:  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yxQxc5/X)  
1.模拟 4Cke(G  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 \2-!%i,  
2.研究 'Kxs>/y3  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 \.myLkm  
3.优化 15VOQE5Fl`  
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。 v3[Z]+ ]  
4.分析 bBAZr`<&U  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Sd' uXX@  
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。