[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Cw $^w  
S:/RYT"  
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#k/Rz6  
I!gj;a?R  
,<b|@1\k  
w9$8t9$|  
简述案例 % Au$E&sj  
RH]>>tJ^e  
系统详情 ~qxXou,J  
 光源 !"%sp6Wc  
- 强象散VIS激光二极管 v`^J3A  
 元件 mwH!:f  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） od*Z$Hb>'  
- 具有高斯振幅调制的光阑 yB%)D0  
 探测器 +wozjjc  
- 光线可视化（3D显示） c8tC3CrKp=  
- 波前差探测 ]fo^43rn{  
- 场分布和相位计算 B
Wdc
^  
- 光束参数（M2值，发散角） f\|?_k]  
 模拟/设计 zI_G
dQNfN  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 6L9[U^`@  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： $'YKB8C  
 分析和优化整形光束质量 1Dp@n  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 y*h1W4:^-  
l/zC##1+.  
系统说明 ~49N  
C_cs(}wi  
V}fKV6 v9  
模拟和设计结果 Yc`j  
6\fMzm  
数值探测器结果 YQV?S  
;'QY<,p[e  
[Am`5&J  
Q&7)vs  
V!77YFen %  
总结 ?4[Oh/]R  
_T|H69 J  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 4bev*[k  
1.模拟 %m{.l4/!O  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 C]yQ "b  
2.评估 w&yGYHg  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ()M@3={R  
3.优化 |"YA<e %  
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。 ^M"z1B]  
4.分析 6w"( y~c1  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
N&^xq_9&  
wK'!xH^  
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。 p^igscPF6  
T<+ht8&M8  
详述案例 +6hl@Fm(  
r<X4ER  
系统参数 Afy .3T @)  

0GX10*t.  
案例的内容和目标 ,{{#a*nd  
!3I(4?G,  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 VP%i1|XZJ  
;=-j;x  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 /X^3=-{8  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 n(1wdlEp  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 %U5P}  
J,0pe\5  
模拟任务：反射光束整形设置 )nNCB=YF!  
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。 wY3|#P CDV  
YWRE
&MQ_  
0SMQDs5j  
~llMrl7  
z^rhgs?4  
4W!\4Va  
规格：像散激光光束 +~ 3w5.8  
d]CviQUq  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 z$c&=Q  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ,rZn`9  
L$lo~7<]  
}F{C= l2  
ESD<8OR  
9^PRX  
*Mwfo
d  
规格：柱形抛物面反射镜 )WVItqQKV  
                         E7gHi$  
 有抛物面曲率的圆柱镜 tE]5@b,R  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 mQJ4;BJw  
 曲率半径等于焦距的两倍
ik2- OM  
QB/7/PW{H\  
/&]-I$G@  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） @ /UOSU  
w%3Fg~Up  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 S<eZd./p6  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） =w^TcV  
 离轴角决定了截切区域 Z 7s;F}=  
X`yNR;>  
规格：参数概述（12° x 46°光束） jCTy:q]  
Gla@
l<  
   cy)k<?,  
{sC@N
![  
光束整形装置的光路图 / R_ u\?k(  
[d4,gEx`Q\  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ,`<^F:xl  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 +_qh)HX  
T8$%9&j!UE  
反射光束整形系统的3D视图 >|a\>UgC  
rIeM+h7Wn  
 3L%WVCB  
g/IH|Z=A  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 g1ZV&X=2  
 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）。 cMDRWh  
$sEB'>:  
详述案例 i2$*}Cu  
HEBqv+bG  
模拟和结果 @Q;i.u{V  
f.||PH  
结果：3D系统光线扫描分析 pC*BA<?Rg  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 +XEjXH5K  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 g<fDY6jt  
u3]Uxy  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd m!<X8d[bD  
3->,So0Y  
使用参数耦合来设置系统 ~|&="K4,:  
yeh8z:5Z O  
NEA_Plt  
自由参数： BwC<rOU  
 反射镜1后y方向的光束半径 Q0pzW:=s]  
 反射镜2后的光束半径 42fprt  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） E;6~RM:  
 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。 {3hqp*xl  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 qAqoZMpI|;  
bA}Z0
a  
vQUZVq5M  
%N)e91wC  
re;Lg C  
##H;Yb  
k({2yc#RD&  
自由参数： ]/Vh{d|I&  
 反射镜1后y方向的光束半径 [|4}~UV  
 反射镜2后的光束半径 *zq.C  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） tM)Iir*U#  
 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。 ~n WsP}`n  
! .AhzU1%Y  
GuT6K}~|D  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 LfEvc2 v=g  
z!$gVWG  
3:lDL2  
结果：使用GFT+进行光束整形 AH^e]<2-  
|xh&p(  
/}Yqf`CZy  
Vvyj  
v dU%R\  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 |zq4*  5  
*(G&B\  
)\wuesAO  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 4U?<vby  
^
Hg/P8q  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 7R,qDp S  
T7{<arL$  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： zOB !(R  
p* RC  
y;nvR6)  
Yt+h2ft!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd o@9+mM"B)  
l-}KmZ]  
结果：评估光束参数 6PU/{c  
:?=Q39O9  
yl$F~e1W  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 3pSj kS|?>  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 xvmt.
>f  
jY/ARBC}H  
BC! 6O/
kr  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 r<c #nD~K  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） ZjD)?4  
E ]B7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2no$+4+z  
*0y{ ~@  
光束质量优化 Izn T|l^  
QXVC\@  
#f{lC0~vA  
 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。 rkDi+D6`q  
 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）。 BLn_u,3  
+;Cr];b3  
结果：光束质量优化 +ZA)/  
A&zS'toU  
0{+.H_f`  
 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。 Nxk(mec"  
_c2WqQ-05  
6e
&$l-  
~_
>cM c  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 3[d>&xk@$  
VUtXxvH  
:,S98
z#  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ])w[

  
/_t|Dry015  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 \X|sU:g  
dNiH|-$an  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 RWKH%C[Yd  
kWhr1wR1  
O_;Dk W  
 这意味着参数变化是的正态 9QwKakci  
v.&>Ih/L
 
-Z0+oU(?YE  
n~.*1. P  
J?&l*_m;t  
 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。 i"r!w|j  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 "m$3)7 $  
G2:%
g(  
)Si2u5  
,"\@fwy{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run R>/NE!q  
(JUZCP/\  
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） mr:CuqJ  
W!T"m)S  
Kibr ]w  
d0'HDVd  
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。 #
_i`#d)  
 ?K_ '@  
总结 *\G)z|^yx  
p{D4"Qn+P9  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !bnyJA  
1.模拟 1}%B%*N  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 B<?wh0  
2.研究 n.}E5%qK  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Lel|,mc`k2  
3.优化 Jh&~ToF!  
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。 #,d I$gY  
4.分析 =u[k1s?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 KNLnn;l  
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。