[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） /MIe(,>Uh  
$jjfC  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 R4[N:~Z$|  
(o 5s"b  
[@&m4 7  
OC_+("N  
简述案例 `fA@hK   
3OrczJ=[UF  
系统详情 F|IAiE  
 光源 /fKx}}g)  
- 强象散VIS激光二极管 C/q'=:H;  
 元件 &xU[E!2H%  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） b(,M1.[qt  
- 具有高斯振幅调制的光阑 R   
 探测器 +! ]zA4x  
- 光线可视化（3D显示） oK9( /v  
- 波前差探测 :,3C 0T3r  
- 场分布和相位计算 3$jT*Oy
G#  
- 光束参数（M2值，发散角） Q0)#8Rc
m  
 模拟/设计 ~IY%  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 B~'vCuE  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： |hKDvH  
 分析和优化整形光束质量 z{8bvuE  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 kI,yU}<Fq  
)Oq|amvC  
系统说明 $By<$  
rF3wx.  
hXcyoZ8  
模拟和设计结果 ]P9l jwR  
Q1
T$k$n  
数值探测器结果 sSr&:BOsi  
fZ6MSAh  
`vU%*g&R  
Y@NNrGDkT*  
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dVWh e  
总结 F6LH $C  
]RwpX ^ 1  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !`M,XSp(  
1.模拟 6gkV*|U,e  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Bm:98? [  
2.评估 X1:V<,}"  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 +xRK5+}9  
3.优化 ^gN6/>]qrY  
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。 2VPdw@"~}  
4.分析 ud63f`W]4  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 0B[="rTS7#  
<KJ/<0l  
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。 @CNi{. RX
 
-5)H<dAQZ  
详述案例 S:u:z=:r  
Z@yW bjE7Z  
系统参数 hM_lsc  
|sa]F5  
案例的内容和目标 .zr-:L5{  
kc2PoJ  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 _H9 MwJ  
.fn\]rUv  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 d}Xr}  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Z EQ@IS:Y  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 XP`Nf)3{Yd  
FX;QG94!  
模拟任务：反射光束整形设置 :)8VdWg  
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。 7( #:GD  
'%>=ZhO  
.L+6 $8m  
Z/G ev"p  
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;Y)w@bNt@  
规格：像散激光光束 BfXgh'Z~  
#`~C)=-  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Y`KqEjsC*  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 # '=a=8-$  
We)xB  
"H2EL}3/]  
&`h{iK7  
'"`IC\N^  
HsxVZ.dS  
规格：柱形抛物面反射镜 Yh7rU?Gj  
                         .Q<>-3\K  
 有抛物面曲率的圆柱镜 9U7nKJ+iby  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 2v:]tj  
 曲率半径等于焦距的两倍 G3C~x.(f
 
GL&y@6  
Z~GL5]S  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 3N8t`N  
+u.1 ;qF  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 fAF1"4f  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Ii6<b6-  
 离轴角决定了截切区域 rDl*d`He!  
XWnVgY s  
规格：参数概述（12° x 46°光束） y~(h>gi,x  
|U~<3.:m:  
   u^&A W$  
GXcJ< v  
光束整形装置的光路图 iyN:%ofh  
~W*FCG#E  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 `K*Q5n  
 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。 T _r:4JS  
Y2|#V#  
反射光束整形系统的3D视图 )S3\,S-.  
$yN{-T"  
}q`ts=dlGt  
1Vsz4P"O $  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ><RpEnWZ<  
 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）。 9 *xR6  
'SO %)B  
详述案例 Y5f1lUT  
PvzcEV  
模拟和结果 ,NOsFO-`<  
ks&*O!h  
结果：3D系统光线扫描分析 yUeCc"Vf  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 -^K"ZP1  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 q6@Lp^f  
gK_Ymq5>"M  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0\H\lKcK  
yZ @"\Z!  
使用参数耦合来设置系统 tW.9yII  
tankR9(o  
jGJLSEe_  
自由参数： C](f>)Dz /  
 反射镜1后y方向的光束半径 F7 5#*  
 反射镜2后的光束半径 mGtdO/C#B  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） I*o
()  
 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。 \jh'9\  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 &[_g6OL  
 R(!s  
3("_Z%  
d<% z 1Dj2  
I+BHstF5um  
) dn(G@5  
O80<Z#%j`  
自由参数： <S\jpB  
 反射镜1后y方向的光束半径 hM@ HA  
 反射镜2后的光束半径 H0:E(}@  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Bs13^^hu
 
 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。 t,QyfN  
X]'{(?Ch  
c
cB&O _  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 
_?<|{O  
VAWF3  
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结果：使用GFT+进行光束整形 a!ud{Dx  
qUh2hz:  
3%l*N&gsg:  
s&A} h  
yaD~1"GA'O  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ,
kF1
T,  
N<|@ymi  
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rH+N  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 wL;lQ&  
! _f9NK  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 p%#<D9S  
|P[w==AAf  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： fo5i
Jz"Z  
`lQ3C{}  
OJ,`  
zer%W%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %kv0Wefs  
Qr1"Tk7s  
结果：评估光束参数 W6f/T3  
'U1R\86M  
R(('/JC  
 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。 Uhe=h&e2k@  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 N8k00*p65  
AB=daie  
mlixIW2  
 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。 A$<.a
'&T!  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） 9zZr^{lUl  
lH-/L(h2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ?6yjy<D)$e  
lm!.W5-l  
光束质量优化 o1Ph~|s*8  
I2TaT(e\  
5Eg1Q YVt  
 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。 mX_a^_[G  
 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）。 os,* 3WO  
8s"%u )  
结果：光束质量优化 ^X0P'l&D2  
j2ve^F:Q  

F=`AY^u0  
 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。 aAJU`=u
q  
ozAS[B6  
[p{#XwN  
txW{7+,  
 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=vG$  
&f"-d  
}3o|EXx=  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd SNfr"2c'h~  
a&tSj35*6  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Nd`%5%'::  
)T';qm0w  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 WfWN(:dF  
pNOwDJtK  
k,'L}SK  
 这意味着参数变化是的正态 iJ~Zkd  
uxW~uEh  
)\_:{c  
'>&^zgr  
%`O
J.:k  
 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。 ZYI{i?Te#  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 C 'v+f=  
(5#nrF]
 
VSrr`B  
|o{:ZmzM  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,a gc  
]DOX?qI i  
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） M:-.o  
'ixw
D^x  
/a^1_q-bX  
CsTF  
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。 }!;s.[y  
%1H[Wh(U  
总结 ?3*l{[@J  
e<
=cdze  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~;1l9^N|  
1.模拟 P/c&@_b  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Av"R[)  
2.研究  Jd%H2`  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 }2(,K[?  
3.优化 9{-EJ)  
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。 e?opkq\f  
4.分析 'XZ)!1N  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 h(M#f7'~&  
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。