[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） -XoPia2  
yQS+P8x&|]  
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 $ls[|N:y0l  
tEd.'D8 s  
"pxzntY|  
3{Nbp  
简述案例 i yYJR  
{aKqXL[UP  
系统详情 xk~IN%\  
 光源 yKagT$-  
- 强象散VIS激光二极管 |rRO@18dA  
 元件 @=S}=cl  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） wHjLd$ +o  
- 具有高斯振幅调制的光阑 4] > ]-b  
 探测器 )-rW&"{U  
- 光线可视化（3D显示） tU wRE|_  
- 波前差探测 Uh}seB#mJj  
- 场分布和相位计算 $V>98M>j  
- 光束参数（M2值，发散角） 59uwB('|lH  
 模拟/设计 [a[/_Sf{  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 K?x,T8<aW  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Id'RL2Kq*&  
 分析和优化整形光束质量 {'+QH)w(  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 HY;o^drd  
0Y=![tO8  
系统说明 bZ_mYyBh  
=tTqN+4  
W" "*ASi  
模拟和设计结果 S&C1TC  
9ch#}/7B  
数值探测器结果 ivgpS5 M`Y  
23(=Xp3;>  
6~:Sgt nU  
SZ![%)83  
c47")2/yO  
总结 Nb2Qp K  
UnDgu4#R`A  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 (oK^c-x  
1.模拟 5M]z5}n/  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 \b'xt  
2.评估 u D 5%E7  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )Ag/Qep  
3.优化 I7QCYB|  
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。 .UCt|> $  
4.分析 `;,Pb&
W~  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 <<9Va.  
RIM`omM  
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。 ? ]sM8Bd}  
>>[/UFC)n  
详述案例 SDG-~(Y  
?8dVH2W.  
系统参数 fqz28aHh  
XB hb`AG  
案例的内容和目标 $m1<i?'m  
1RLY $M  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 <O?y-$~  
sH,kW|D  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 1PaUI#X"2F  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ^da44Qqu  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 HC {XX>F^  
A|#`k{+1-  
模拟任务：反射光束整形设置 O40+M)e]  
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。 wmNHT _  
4Ph0:^i_  
+`mGK:>  
zHWSE7!  
80}+MWdo  
75!9FqMZ}  
规格：像散激光光束 'PZ|:9FX!  
p]D]: Z}P  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 C<^YVeG  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动  GJi~y  
vq*Q.0
M+  
9Ywpej*+  
QZAB=rR  
QR?yG+VU  
;?fS(Vz~  
规格：柱形抛物面反射镜 uy_wp^  
                         aeyNdMk-  
 有抛物面曲率的圆柱镜 9L0GLmLk1u  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 %\O#&=$E  
 曲率半径等于焦距的两倍 A*h{Lsx;  
+1JH  
#mR4fst  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） :pX`?Ew`g  
%A1@&xrbl  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 #TK~eHi  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） \mM<\-'p  
 离轴角决定了截切区域 L(S'6z~_9  
|LG4=j.l  
规格：参数概述（12° x 46°光束） qL$a c}`  
A$0H .F>  
   (;x3} ]  
IH48|sa  
光束整形装置的光路图 Tl]e%A`|  
}uHrto3M  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 :,;K>l^U  
 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。 5V[oE\B  
(GnuWc\p  
反射光束整形系统的3D视图 _CBWb  
$w)~O<_U  
K`&oC8p  
[u@Jc,  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 qs\2Z@;  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 J2q,7wI#  
c5q9LQ/  
详述案例 DBLk!~IF  
~0$NJrUy  
模拟和结果 M}:=zcZ l  
(z7vl~D  
结果：3D系统光线扫描分析 7*Qk`*Ii  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 X)SDG#&+bF  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 rD?L  
682Z}"I0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~"pKe~h   
*D4hq=  
使用参数耦合来设置系统 &wd;EGGT!q  
j.~!dh$mg  
6K cD&S/  
自由参数： AT2v!mNyCw  
 反射镜1后y方向的光束半径 2Y}?P+:%>  
 反射镜2后的光束半径 1"8yLvtn  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） mS>xGtD&K  
 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。  $p!yhn7  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 gK#mPcn^  
o)6pA^+  
dpQG[vXe  
Gir#"5F  
NW~z&8L  
=/<LSeLxH  
Ze<K=Q%(i  
自由参数： IJTtqo  
 反射镜1后y方向的光束半径 g&dPd7  
 反射镜2后的光束半径 W{z.?$SH  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） $,I q;*7N  
 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。 {NpM.;  
['z[  
3X9b2RY*L/  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 x@
m
L $  
i'stw6*J  
MT(o"ltQ  
结果：使用GFT+进行光束整形 NmK8<9`u  
A5,t+8`aci  
|+ N5z  
Bwr3jV?S  
yx V:!gl  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 q'pK,uNW  
R1&unm0  
Y_`-9'&  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Y`+=p@2O2o  
e\O/H<  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 f%5zBYCgC  
G!4(BGx&  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： .4.b*5  
2Q;9G6p  
2r$#m*  
Kn+S,1r  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ]weoTn:  
zy*/T>{#  
结果：评估光束参数 hdTzCfeZ5@  
t|t#vcB  
aq7~QX_0G  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 !w BJ,&E  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 #plY\0E@  
@aJ
!PV'ms  
VDTcR  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 &.TTJsKG h  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） \uss Uv  
%s19KGpA  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 8[6o (  
Jk,;JQ  
光束质量优化 Z{'i F   
U]a*uF~h  
+{
sqcr1G  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 x@8a''  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 /VG2.:  
|>@W ]CX[  
结果：光束质量优化 q -8t'7  
Z"unF9`"1  
ctcS:<r/3@  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 G:g69=x y  
O12eH  
o M Zq+>  
6'xsG?{JY  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） \W,I?Kx$  
A$6$,h  
 }-~l!  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd dH
( ('u[  
<FZ@Q[RP  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 LdJYE;k Ju  
ws4cF N9P?  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 arf8xqR-U]  
qWw\_S  
|JCU<_<  
 这意味着参数变化是的正态 \TU3rk&X  
vm>b m  
O$4yAaD X  
Mw9 \EhA  
1'?4m0W1  
 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。 iYC9eEF  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 .bio7c6  
(Cqn6dWK  
8V~vXnkM  
2;w*oop,O  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run dO%W+K  
mc4i@<_
?  
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） CirZ+o  
D= 7c(  
0wS+++n$5  
.9.2Be  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 yr,=.?C-  
z;y:9l  
总结 R LD`O9#j  
}V\N16f  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }l=xiAF  
1.模拟
"jw<V,,  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 R4-~jgzx  
2.研究 m)oJFF  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ={u0_j W  
3.优化 ge8/``=  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 -44&#l^}_u  
4.分析 G z)NwD  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 W6Y@U$P#G  
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。