[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） N;w1f"V}  
vS0P]AUo  
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 O{4m-;  
UFl*^j_)]  
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简述案例 |#sP1w'l]  
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+IXP  
系统详情 r`krv-,O$  
 光源 \i&yR]LF  
- 强象散VIS激光二极管 ;EJ6C#} >7  
 元件 wVPq1? 9  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） OO$<Wgh  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ;aF / <r  
 探测器 <E^:{J95  
- 光线可视化（3D显示） dV5$L e#y  
- 波前差探测 FHD6@{{Gp"  
- 场分布和相位计算 AiyjrEa%  
- 光束参数（M2值，发散角） =y4g. J\  
 模拟/设计 _3E7|drIX  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 >Kr,(8rA  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ecFI"g  
 分析和优化整形光束质量 *<UQ/)\  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ]EK"AuEz`  
@#V{@@3$  
系统说明 Qj=l OhM  
*n*OVI8L  
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模拟和设计结果 W$3p,VTMmB  
p$ko=fo-*_  
数值探测器结果 D( _aXy  
-ZuzJAA  
Q`oi=OYB  
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0VbZBLe  
总结 =tP|sYR]^  
6zDJdE'Es  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Y3-P*  
1.模拟 7Ua Ll  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 fLys$*^)^  
2.评估 x=H*"L=  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 hA"N&v~  
3.优化 % va/x]K  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ~@-Az([H  
4.分析 <1@_MYo  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 :l6sESr  
u'N'<(\k  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 2D-*Z=5^  
'rg$%M*(  
详述案例 qH-dT,`"{  
)kkO:j  
系统参数 y/PEm)=Tt  
"ex? #qD&  
案例的内容和目标 UyJ5}fBJ  
J>+Dv?Ni$  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 nyMA%9,B  
TX*P*-'  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 6IvLr+I  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 O@ "6)/  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `R; ct4-  
[pOU!9v4  
模拟任务：反射光束整形设置 eLt6Hg)s`9  
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。 ~gV
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S</"^C51J  
JL*-L*|Zcl  
C4n5U^  
规格：像散激光光束 `j<'*v zo  
un\"1RdO  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 e0hT  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ;`xu)08a  
rL%xl,cn<  
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\"f}Fx  
gz$=\=%>RL  
\F<]l6E  
规格：柱形抛物面反射镜 !867DX3*  
                         UL{Xe&sT  
 有抛物面曲率的圆柱镜 xXyzzr1[  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 7g=Ze~aq  
 曲率半径等于焦距的两倍 D}_\oE/n  
`HHbQXB  
b?Vu9!  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） &'(:xjN  
htkyywv  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 
S#ven&  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 'T.> oP0>  
 离轴角决定了截切区域 "r|O /  
4
[5Z>2w  
规格：参数概述（12° x 46°光束） a#mdD:,cF  
GHoPv-#  
   pM4 j=F  
2 OGg`1XX  
光束整形装置的光路图 .*y{[."!  
n ,H;PB  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ;)o%2#I  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 @@! R Iq!  
D@0eYX4s  
反射光束整形系统的3D视图 .&L#%
C  
AA@J~qd u  
D@f%&|IZ  
M.t5,NJ  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 L1aN"KGMF  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 
ZM5[ o m  
T$'Ja'9Kj  
详述案例 @jjp\~  
6C  
模拟和结果 n2TvPt\  
fEM8/bhq  
结果：3D系统光线扫描分析 tFb49zbk  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 LtCkDnXk  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
6g<JPc  
;}:"[B3$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd y/Nvts2!C  
?Bk"3{hl  
使用参数耦合来设置系统  g\n@(T$)  
B-Fu/
n  
=:#$_qR  
自由参数： bk"` hq  
 反射镜1后y方向的光束半径 =WN6Fj`  
 反射镜2后的光束半径 & 8e~<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） :egSW2"5S  
 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。 a-O9[?G/x  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 TCB<fS~U-  
0WQ0-~wx  
+DVU"d  
Fnr*.k  
:y]l`Mo -  
jp2l}C  
;g?5V  
自由参数： "< [D1E\  
 反射镜1后y方向的光束半径 d<!bE(  
 反射镜2后的光束半径 0PTB3-  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 2
)mKcUL-  
 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。 $yOfqr  
N7
Dm,Q]  
^W'\8L  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 oz@yF)/Sm  
~Ge-7^Fo7  
$(C71M|CT  
结果：使用GFT+进行光束整形 [NJ!  
/k7`TUK  
r@wWGbQ|L  
MYjDO
>(_  
e8P |eK  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 !sfUrUu  
00<iv"8  
&W}ooGg  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
r?V\X7` +  
TB1 1crE  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 < R0c=BZ>  
H.Pts>3r(  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： !*EHr09N7  
e,8C} 2  
XKMJsEPsW  
5Ss=z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Qp%kX@Z'  
5GC{)#4  
结果：评估光束参数 RM QlciG  
5
jkW@  
]vhh*  
 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。 F5&4x"c  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 @;Yb6&I;  
Zj!S('hSY  
7?/ Fr(\  
 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。 Ge|caiH1I  
 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） =3""D{l  
f+J<sk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
=suj3.   
%
p@A8'b  
光束质量优化 aY8>#t?  
$wC]S4C  
p4|:u[:&  
 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。 P4ot,Q4  
 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）。 c tTbvXP  
=<R77rnY&  
结果：光束质量优化 ejD
;lvf  

:^! wQ""  
rVFAwbR  
 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。 qDNqd  
t~Ds)  
sR'rY[^/|  
/?HRq ?n  
 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。） b8Y1.y"#  
T?NwSxGo  
lv,8NmP5  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd y7$e7~}/  
) Q]kUG#`  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 NCl$vc;,  
]%F3 xzOk  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 '<$(*  
S\s1}`pNm  
ub./U@1
 
 这意味着参数变化是的正态 Qx'a+kLu9  

;]+kC  
rsy'ZVLUj  
>"N\ZC^  
qEX59v  
 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。 _sJp"4?  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 DJT)7l{  
C5 ^_R  
{Km|SG[-q  
@U:WWTzf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run HO}aLp  
q1`uS^3`  
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） F2OU[Z,-]  
OJQ7nChMm  
&I<R|a  
#li;L  
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。 )"=BbMfhu  
Nr6YQH*[  
总结 y @h^  
boJQ3Xc  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 `:?padZG  
1.模拟 ^L<1S/~)  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 N@Bqe{r6j  
2.研究 >0T0K`o  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 u,4,s[  
3.优化 5rfGMk<  
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。 ^~eT#Y8  
4.分析 X*}S(9cg\i  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 -GH#nF3G  
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。