[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） -'80>[}q/  
Dz[566UD  
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 q{a#HnZo"  
>?S\~Y  
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B }6Kd  
简述案例 NNwc!x)*  
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系统详情 F|ETug n  
 光源 0(wf{5  
- 强象散VIS激光二极管  qovQ9O  
 元件 'eqiYY|  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ,+~2&>wj  
- 具有高斯振幅调制的光阑 'b8R#R\P  
 探测器 aQ&uC )w  
- 光线可视化（3D显示） pp(H PKs=}  
- 波前差探测 ?#?e(mpo  
- 场分布和相位计算 '4$lL6ly>  
- 光束参数（M2值，发散角） GA.BI"l  
 模拟/设计 T'hml   
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 5!<o-{J[(=  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ir]Mn.(Y  
 分析和优化整形光束质量 F#6cF=};@  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 uii7b7[w  
[1NaH  
系统说明 <lFdexH"T  
8fnR1mWG  
*%3oyWwCd  
模拟和设计结果 ~ 9=27p  
QO@6VY@  
数值探测器结果 )B81i! q  
QW2?n`Fa9-  
n<E.Em1  
Te+^J8  
7UnzIe  
总结 C(s\LI!r  
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4aKLr  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 (]OFS;%  
1.模拟 Rxx>{+f4M  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 )Lb72;!?  
2.评估 (Q'U@{s  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 d]MGN^%o  
3.优化 }
?J~P%HpF  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 c -w0  
4.分析 H"O$&  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Ss 2$n  
bjlkX[{}I  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 PT+c&5AS  
P])L8zK  
详述案例 ZY)%U*jWU  
6%%PP8
.F  
系统参数 2hy NVG&$  
Yc d3QRB  
案例的内容和目标  qtzFg#  
FRgLlp8x  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Mm.Ql  
W<Z$YWr  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 rCE;'? Y  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 dnwdFsf  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 qC..\{z  
".E5t@ }?m  
模拟任务：反射光束整形设置 {
S*!B  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Mb/L~gd"  
gH'_ymT= 3  
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,%Z&*n  
s@s/'^`  
P_}/#N{C  
规格：像散激光光束 pqeL%="p;  
b_l3+'#ofM  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]H+{eJB7O  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 0I @$ 0Gg  
"J!}3)n  
{`F1u?l  
U*qNix  
69/?7r  
88g47>{X  
规格：柱形抛物面反射镜 s^cc@C  
                         {i>Jfl]G}  
 有抛物面曲率的圆柱镜 thptm  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 zKxvN3!  
 曲率半径等于焦距的两倍 8R}K?+]  
72,"Cj  
qm'b'!gq~  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） z]$>+MH_  
o%`npi1y  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 %$TEDr!  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） sa9fK Z'q  
 离轴角决定了截切区域 ej52AK7  
j{;|g%5t  
规格：参数概述（12° x 46°光束） U^rm:*f  
vCb]%sd-U  
   $KX[Zu%  
9cfR)*Q  
光束整形装置的光路图 hwVAXsF~  
CZ3].DA|z  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 eh<rRx"[  
 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。 LeHiT>aX!  
FVgMmYU  
反射光束整形系统的3D视图 ZXt?[Ll  
v"RiPHLT  
~;unpym'  
OJ/SYZ.r  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 J?%}=_fsa  
 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）。 7tgFDLA  
S;=_;&68?  
详述案例 S0LszW)e  
J#aVo&.Y  
模拟和结果 +O+<Go@a  
#3 bv3m  
结果：3D系统光线扫描分析 =nU/ [T.  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ZJ
(rG((!  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 tg
85:  
^u)rB<#BR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd '7tBvVO_  
m<:IFx#  
使用参数耦合来设置系统 -@M3Dwsi3  
RUGv8"j  
vT7g<  
自由参数： +xj "hX>3  
 反射镜1后y方向的光束半径 <m-.aK{9  
 反射镜2后的光束半径 )X5(#E  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0@pu@DP~  
 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。 |0 !I5|<k  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 maC>LBa2/  
!M;A*:-  
?`AGF%zp  
SRL-Z&M  
Wx]d $_  
q*8lnk  
f=aIXhiYU  
自由参数： 6y Wc1  
 反射镜1后y方向的光束半径 QCpM|,drS  
 反射镜2后的光束半径 ;&f1vi4  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） {'R)4hL  
 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。 %8FN0  
q`Q}yE>9  
KcXpH]>!9  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 CWlW/>yF B  
|LmSWy*7  

KAc>-c<  
结果：使用GFT+进行光束整形 <1@ (ioPH  
#C*&R>IvY  
w%xCTeK[  
&ao(!/im  
>ttuum12w  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 +K{LQsR]  
8eyl,W=dn  
[ee30ELn  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 NK/4OAt%  
M"wue*&  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 >eS$  
9lspo
~M  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ^M[P-#X_  
^}>/n. %  
>n$!<  
tcL2J.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd (E!!pz  
{exrwnIZj  
结果：评估光束参数 ai^|N.!  
)^/0cQcJ  
D:E9!l'  
 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。 9_huI'"p  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 cm@;*  
KCtX$XGL  
<B[G |FY,  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 :
6Pad  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） 9UD @MA  
+jV_W
z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd v?j!&d>  
:&yDqoQKJ  
光束质量优化 g.C5r]=+&  
-:`V<  
qnIew?-*  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 +)/Uu3"=  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 )#[|hb=o  
flnVYQe  
结果：光束质量优化 Ade}g'  
-=5)NH t  
U Cb02h  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 /[pqI0sf<A  
=NDOS{($  
5H !y46z  
hh"-w3+  
 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。） rt!r2dq"  
!%S4n  
2\@Z5m3B  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd D>kD1B1  
{
o|k.zy  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 "H+,E_&(  
' 4O
-  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 dM]#WBOPy  
Y(VO.fVJK  
Iti0qnBN5  
 这意味着参数变化是的正态 E*CcV;  
2@LbfoA  
r88"#C6E'  
<z0WLw0'z  
k<Sl1vK  
 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。 oF|N O^H  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 <kc#thL  
FFcB54ALTf  
b?VV'{4  
|>1
hu1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run z2 hFn&  
S!Jh2tsg`-  
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） ' Q7Y-V  
k`VM2+9h'^  
|b.z*G  
T>d.#  
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。 \N6\v5vh  
+%#8k9Y  
总结 Qvqqvk_tv  
2 y8~#*O  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }iww:H-1  
1.模拟 bB6[Xj{  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Qn+:/zA;  
2.研究 P+(i^=S  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 8q^o.+9  
3.优化 K4%/!`  
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。 r`M6!}oa  
4.分析 +4)7j&L  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 zG9|K  
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。