[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） .fhfO @  
={190=\9  
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 \4*i;a.kU  
(@\0P H0  
o1]1I9  
?f:\
&+.&  
简述案例 W`wT0kP?*]  
&.0wPyw  
系统详情 kwt;pxp i  
 光源 %-!:$ 1;  
- 强象散VIS激光二极管 'xM\txZ;  
 元件 uA%F0oM  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） )GC[xo4bg  
- 具有高斯振幅调制的光阑 +#'QP#  
 探测器 "rQ?2?  
- 光线可视化（3D显示） 5M3)7  
- 波前差探测
zfml^N  
- 场分布和相位计算 jN7Z}1`  
- 光束参数（M2值，发散角） D%'rq  
 模拟/设计 (jE[W:  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Qm?o^%a  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： T5 BoOVgO  
 分析和优化整形光束质量 k1FG$1.  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 qRZLv7X*j  
OPKmYzf@b  
系统说明 90$`AMR  
9>5]y}.{  
<,T#* fg  
模拟和设计结果 :4238J8  
T=cb:PD{%  
数值探测器结果 N%?8Bm~dP  
YH!` uU(Lh  
l)1ySX&BU  
,rQPs  
Zxv{qbF
 
总结 /lvH p  
;\+A6(GX{  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ga91#NWgK  
1.模拟 C?b_E  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Tq >?.bq9  
2.评估 \6Hu&WHy  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 %G~%:uJ5  
3.优化 gB#$"mq,  
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。 zd[cp@  
4.分析 TWQ{, B  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 V6 ,59
  
F(:]lM|  
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。 UBy:W^\g  
j,JGs[A  
详述案例 ,b8B)VZ?  
'^M3g-C[Jg  
系统参数 IqONDdep9  
Bbx.RL.V  
案例的内容和目标 "PPn^{bYm  
!7[Rhk7bW  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 +xtR`Y"  
{mV,bg,}~  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 0IjQqI  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 K29KS)~;W  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 1Q$Z'E}SK@  
;H8A"$%n~  
模拟任务：反射光束整形设置 2myHn/%C  
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。 TXQY&7  
/F 1mYq~  
v0}.!u>Ww  
fM)RO7  

i'9  
]"M4fA  
规格：像散激光光束 /CN^">|_  
%@jv\J  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 } Pc6_#  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ';!02=-@  
'4qi^$|\  
"I]% aK0  
< F Cr L  
aKC3T-  
asI:J/%+2  
规格：柱形抛物面反射镜 EmR#)c~(W  
                         {N$G|bm]u<  
 有抛物面曲率的圆柱镜 wLC|mByq  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ,*V{
gpC7  
 曲率半径等于焦距的两倍 g=:C/>g  
IXf@YV  
@Tr8.4  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） d&0^AvM@  
&`63"^y  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 A_@#V)D2  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） RxkcQL/Le  
 离轴角决定了截切区域 7
@Qz  
fF8g3|p:  
规格：参数概述（12° x 46°光束） h7 >  
h^bbU.  
   /cDla5eej  
DP*[t8  
光束整形装置的光路图 W$P)fPU'  
nK6{_Y>  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 -$4
PY,  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 f?_H02j`/E  
qGgT<Rd~1  
反射光束整形系统的3D视图 r!etj3  
pXCmyLQ  
c0jC84*v  
?!~CX`eMZ  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 !K1[o'o#  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 \ey3i(
(L  
Uw][U  
详述案例 dGcG7*EX  
^'C1VQ%  
模拟和结果 aBT|Q@Y.  
i%0Ml:Y  
结果：3D系统光线扫描分析 h4S,(*V$!  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 QE$sXP7&u  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 pNI=HHx  
0\Qqv7>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Q5/".x^@  
zD-.bHo>.  
使用参数耦合来设置系统 +dk}$w[g  
a4L8MgF&$-  
*^Wx=#w$V  
自由参数： 7\K=8G  
 反射镜1后y方向的光束半径 _bn*B$  
 反射镜2后的光束半径 Ylll4w62N  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） M"#xjP.  
 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。 %X O97  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 {o4m3[C7=}  
;2-,Xzz8  
p0UR5A>p  
sV'(y>PP%  
tD.md_E  
jX!,xS%(  
Q\Fgc ;.U  
自由参数： &hEtVkK  
 反射镜1后y方向的光束半径 %<DXM`Y  
 反射镜2后的光束半径 KZ pqbI Z  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \SS1-UbL  
 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。 !&Vp5]c  
CYmwT>P+*4  
q<yp6Q3^  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ]i)m   
#)2'I`_E  
KQj5o>} 6  
结果：使用GFT+进行光束整形 =U!M
,zw4  
DDyeNuK  
lO9ML-8C1  
VlXUrJ9&  
oEd+  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 )'KkO$^&  
>&7K|$y.J  
<T+)~&g$  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 \L-o>O  
<<
W{nSm#  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ] hGU.C"(  
8hZ+[E}  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： $a>,sL&;  
D.9qxM"Z>  

V)72]p  
Ds? @LE|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd fgK1+sW  
~oy=2Q<Z  
结果：评估光束参数 4!64S5(7t  
\wEHYz  
_SC{nZ[  
 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。 kHygif !I4  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ;fw}<M!6  
tAO,s ZW  
Gj
fb<  
 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。 4t]ccqX*{  
 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） ]1hW/!  
,c<&)6FU]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd d(9ZopJrQ  
,$s NfW  
光束质量优化 e`9d&"  
k!l\|~  
.R'<v^H  
 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。 {Z0(V"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）。 \9j +ejGf  
q#B=PZ'NA  
结果：光束质量优化 ^3"~
T  
=jXBF.  
4zyN>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。 yNCd} 4Ym5  
R8|H*5T?+  
_)-t#Ve  
B;x5os  
 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。） >G7dw1;  
I
v])s  
]Fi_v?42x  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd '. 5&Z  
'D_a2xo0  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 prtNfwJz1j  
yp}J+/PX}  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 3v\69s  
: EA-L  
!r\u,l^
  
 这意味着参数变化是的正态 9o
%k [n  
)oqNQ'yZ  
[$\KS_,Mn  
) uM*`%  
^m0nInH  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ZHu"&&  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Td,2.YMQ  
[B~*88T  
7v'aw"~  
0?V{u`*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run rhff8C//'  
p>#sR4d>  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） ^IQtXae6M  
9w3KAca  
To/6=$wto  
qwhDv+o  
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。 gXJtk;  
O>R@Xj)M  
总结 mD5Vsy{Pb  
t@X{qm:%Z  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 d1
jg3{pwA  
1.模拟 {L'uuG\9U  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Ml,~@} p  
2.研究 zv.#9^/y  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 &=f] a  
3.优化  *.us IH2  
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。 Vh?5  
4.分析 ZR]p7{8B  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 g)dKXsy(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。