[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 6?53q e  
;):8yBMk  
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 $a`J(I  
>pgQb9 T+_  
?"()>PJx  
^36M0h|R  
简述案例 gb.f%rlZ`  
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系统详情 @)9REA(
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 光源 p@#]mVJ>9  
- 强象散VIS激光二极管 6{5q@9F  
 元件 N YCj; ,V  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 7sj<|g<h(_  
- 具有高斯振幅调制的光阑 [<_"`$sm=  
 探测器 S$S_nNq

 
- 光线可视化（3D显示） MzG5u<D  
- 波前差探测 A ?#]s  
- 场分布和相位计算 VMaS;)0f@  
- 光束参数（M2值，发散角） r %+Bc Y  
 模拟/设计 gdOe)il\  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 EC<5M5Lc  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： >g>?Y G  
 分析和优化整形光束质量 E|Q{]&$;Z"  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ^&C&~}Zv  
yPSVwe|g  
系统说明 6hp{,8|D"m  
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cHen/4X  
"]v uD  
模拟和设计结果  ~q*i;*  
64?Pfir6  
数值探测器结果 P=c?QYF  
IDj_l+?c  
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A_@I_V$  
总结 *nLIXnm  
{W-5:~?"  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :=y0'f V(@  
1.模拟 9t#P~>:jY}  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 j+$M?Z^  
2.评估 I
eZ&7u  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 oL#xDG  
3.优化 `(3SfQ-  
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。 p7s@%scp  
4.分析 JwjI{,jY  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 e]>/H8  
,`yyR:F  
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。 9MT? .q  
f?Z|>3.2  
详述案例 sA3UeTf  
yji>*XG  
系统参数 `-o5&>'nf  
F%Kp9I*  
案例的内容和目标 21ViHV  
8[oYZrg  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 r?\|f:M3  
$Y6 3!*  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 EA6t36|TX  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 -]/7hN*v  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 w(Gz({l+  
<.}Ua(  
模拟任务：反射光束整形设置 7(NXCAO81  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 \04mLIJr9  
kffZElV  
,7<DGI_y  
vGMJ^q  
;@9e\!%  
9^au$KoU  
规格：像散激光光束 pr$~8e=c  
.A(i=!{q  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ~\[?wN  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 @ ICbKg:  
x~EKGoz3  
)yrAov\z*  
I(n }<)eF  
8bt53ta  
\-c#jo.$8  
规格：柱形抛物面反射镜 v77fQ0w3  
                         x/xb1"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 R]Ek}1~?  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ab@=cL~^  
 曲率半径等于焦距的两倍 nkRK+~>  
5}XvL'  
};r|}v !~_  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 'B`#:tX^N  
5,R`@&K3D  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [x5
mPjgw  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ;%Q&hwj  
 离轴角决定了截切区域 f?^S bp
 
w.uK?A>W,  
规格：参数概述（12° x 46°光束） B)6#Lp3  
3$_*N(e  
   Xu6K%]i^  
`
|EH[W&y  
光束整形装置的光路图 s"coQ!e1.  
3;l"=#5  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 88l,&2q  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 B.*"Xfr8  
'E-FO_N  
反射光束整形系统的3D视图 \I:.<2i  
'I v_mig  
)7Ixz1I9g  
+c) TDH  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 QPs:RhV7  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 =X@
o@1  
PS@*qTin  
详述案例 0x~`5h  
/2
XW  
模拟和结果 =9$mbn r  
cDeZMsV  
结果：3D系统光线扫描分析 [zh"x#AyI  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 /_*>d)  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 "hPCQp`Tj  
lhO2'#]i  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {/|qjkT&W  
($>XIb9f  
使用参数耦合来设置系统 /:p8I6;  
{G*OR,HN  
!ni>\lZ  
自由参数： p/*"4-S  
 反射镜1后y方向的光束半径 @G*.1;jO  
 反射镜2后的光束半径 OipqoI2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） d~Mg vh'  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ^npJUa  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 +pp9d-n  
P^i.La,  
Uu'dv#4Iw  
|=5/Rax^  
CT*,<l-D  
9Cvn6{  
g_z/{1$  
自由参数： ;`UecLb#  
 反射镜1后y方向的光束半径 Fo}7hab  
 反射镜2后的光束半径 {rXs:N@  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _~M^ uW^l  
 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。 &=Y e6 f[  
^E,1V5  
0m)&YFZ[(  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 -^SA8y  
4!%F\c46  
d8OL!Rk  
结果：使用GFT+进行光束整形
Y7SacRO  
DWm SC}{.  
XUmR{A  
d,9`<1{9  
>EP(~G3u  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 |B^G:7c  
E\th%q,mG  
ln<]-)&C  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 z$[C#5+2  
Bs!4H2@{(]  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 1RqgMMJL  

zoZH[a`H  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： UtJa3ya  
L1#Ij#  
'{[),*nCn  
NlF}{   
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd <Kt3PyF  
Q6'nSBi:A_  
结果：评估光束参数 ]RIVc3?;$  
mT.e>/pa  
g/Wh,f3  
 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。 Qe$k3!  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 51xk>_Hm}|  
A3{0q>CC  
m*e YC  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 n$["z w  
 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） Y
(6S
p'0  
]%dnKP~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd cQUC.TZ_  
H0*,8i5I  
光束质量优化 ,k0r  
%fjuG  
ra6o>lI(,  
 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。 J5yidymrpW  
 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）。 }!d;(/)rb  
=A!S/;z>  
结果：光束质量优化 K%j&/T j1  
acW'$@y9?N  
d&(_|xq#  
 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。 r)T[(D'Tm-  
kQv*eZ~  
\\4Eh2 Y  
l{WjDed  
 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。） yL1bS|@  
ktH8as^54!  
SUtf[6  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd rOfK~g,X  
W WG /k17  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 T-" I9kM  
pchBvly+0  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 1|QvN1?  
.ln8|;%  
&h~aChJ  
 这意味着参数变化是的正态 2>PH8  
eE]hy'{d<  
_|{aC1Y!V  
]!{y a8  
^]c6RE_  
 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。 cu7(.  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 } :?.>#  
!.HnGb+  
wz /
GB8P  
KFWJ}pNq  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 4Yjx{5QSAG  
N2,D:m\  
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） `NNf&y)y  
s
d
0r'jb  
}nx=e#[g%2  
,"?A2n-qO  
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。 nB
Lj [  
Q9?t[ir  
总结 8Jr?ZDf`  
B|{I:[  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 LXfCmc9|Z  
1.模拟 Qvoqx>2p5  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 /CX VLl8~  
2.研究 )mN9(Ob!  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 \E4B&!m  
3.优化 /!&R9!6 :  
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。 zA+@FR?  
4.分析 L2z2}U=<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 8g/
F)~s^F  
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。