[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） No'Th7=|S  
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 pQCW6X  
iT~ gt/K  
.V{y9e+  
~kZ?e1H  
简述案例 9'O@8KB_  
DPWnvd  
系统详情 Q/
l388'  
 光源 ?2S<D5MSb  
- 强象散VIS激光二极管 6 Znt   
 元件 xQs._YY  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） n?NUnF
A  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Mgux(5`;  
 探测器 iB*1Yy0DC  
- 光线可视化（3D显示） 9,wU[=.0  
- 波前差探测 ]2mfby  
- 场分布和相位计算 <OGXKv@  
- 光束参数（M2值，发散角） Hy2~D:34  
 模拟/设计 $mst\]&;  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 VBg M7d  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Gr|102  
 分析和优化整形光束质量 _3m\r*(vmQ  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 1v9#Fr Y  
03I*@jj  
系统说明 $_u)~O4$  
s,8g^aF4  
jY$3   
模拟和设计结果 K]>X31Ho  
n{z!L-x^b  
数值探测器结果 tZN'OoZ  
9y*pn|A[F  
=R||c  
Y'x+!&H  
6V @ [<d  
总结 '8"$:y  
l\t<_p/I)^  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 [_3L  
1.模拟 6iJ\7  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 :cE~\BS&  
2.评估 B&z~}lL  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 lm(k[]@  
3.优化 9Z.WR-}  
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。 5H/D~hr&  
4.分析 )C#b83  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 u\}"l2 r  
 kSU]~x  
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。 Qg gx:  
? VHOh9|AT  
详述案例 Nr0}*8#j  
G>j4b}e
 
系统参数 sEEyN3 N  
yxL(mt8  
案例的内容和目标 ,I8[tiR"b  
,(Nr_K  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 LVxR*O  
vC%8-;8{H  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Cc>+OUL  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ^n<o,K4\}  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 L [=JHW  
SR
*KZ1U  
模拟任务：反射光束整形设置 iCh,7I,m  
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。 @hj5j;NHK  
'(yjq<  
J(=io_\bO  
NmZowh$M  
 @1O.;  
\"?5CHz*  
规格：像散激光光束 MXGz_Db4'  
/}#@uC  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 {K42PmQ
L  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 S[I-Z_S  
nx'Yevi0$  
[W*Q~Wvp  
~SR9*<  
hSF4-Vvb  
;A;FR3=)  
规格：柱形抛物面反射镜 kr>H,%3~  
                         LV!<vakCK  
 有抛物面曲率的圆柱镜 &ub0t9R  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 KkD&|&!Q7u  
 曲率半径等于焦距的两倍 
a?ux  
bz\-%$^k  
J0O wzO  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） (bo-JOOdY(  
xdkC>o4>  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ^%jk.*  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） e|S_B*1*0  
 离轴角决定了截切区域 \9`76*X6 c  
s2t9+ZA+s  
规格：参数概述（12° x 46°光束） +/4wioGm  
R.$1aqA}  
   uo[W|Q  
p^THoF'~T  
光束整形装置的光路图 r`5svY  
5!*@gn  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 y;xY74Nq  
 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。 -wrVhCd~g]  
wC`+^>WFo  
反射光束整形系统的3D视图  y)GH=@b  
l[u=_uaYl  
=dDr:Y<@*  
A#KfG1K>  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 $fFh4O4  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 |cIv&\ x  
W2T6JFv  
详述案例 1%`Nu ]D  
G
7uYkJO  
模拟和结果 O"V;o
tlC  
o#9Q   
结果：3D系统光线扫描分析 83g$k 9lG.  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 wjc&S'[  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 gOLN7K-)  
T3,}CK#O  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd jHQnD]Hr  
P]%)c6Uh  
使用参数耦合来设置系统 UWo*%&J  
r}i}4
K[1  
S:8 WBY]M  
自由参数： fOJTy0jX8  
 反射镜1后y方向的光束半径 )zK@@E  
 反射镜2后的光束半径 P87Lo
4Rd  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Ci_Qra 6  
 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。 i)th] 1K%  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 H7dT6`<~Y  
7ro&Q%  
9
>9,  
]8/g[Ii  
6<mlx'  
7(l>Ck3B#  
TX).*%f[r  
自由参数： C2C1 @=w  
 反射镜1后y方向的光束半径 kJK*wq]U6  
 反射镜2后的光束半径 \[&&4CN{  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 5jAS1XG  
 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。 L L? .E  
G.3yuok9
 
],s{%a5wC  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 d<Dm(  
<S3s==Cg  
%ty`Oa2  
结果：使用GFT+进行光束整形 y}1Pc
*  
Y49&EQ  
+E-CsNAZ*"  
B *%ey?  
>Og|*g  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 @Yn+ir0>O  
9DdR"r'7  
\03ZE^H  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 |u]IOw&1  
*vzEfmN:d  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 '0w</g  
7n,=`0{r  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： "!ks7:}v  
83J63Xa  
1my1m  
:!Nx'F9a  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {gh<SZsE  
9yz@hdG  
结果：评估光束参数 r @}N6U~*  
2"HG6"Rr  
! (Q[[M  
 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。 vXm'ARj  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 G*_qqb{B  
60 %VG  
C_Z/7x*>d  
 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。 [&g"Z"  
 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） #p ;O3E@  
""A6n{4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd zf>*\pZE  
)"Z6Q5k^  
光束质量优化 /_qHF-  
&(lQgi+^!  
/>N#PF  
 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。 !_FTy^@c2  
 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）。 5'(T*"  
O>'tag  
结果：光束质量优化 a@J/[$5  
*?\u5O(  
mfG m>U  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 S*gm[ZLQ  
zdw* ?C  
JfY(};&  
Ii&p v  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ik#Wlz`4  
,,!P-kK$  
xZ6x`BET-  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ~sZ$`t
 
@]]&^ 7  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 g/_0WW]}  
R$+p4@?S  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 jZC[_p;  
 "iR:KW@  
T@*'}*  
 这意味着参数变化是的正态 8N+T=c  
=H3tkMoi2  
jijwHL  
0ckmHv  
r<4j;"lQK  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 fERO(
o  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Ctn 4q'Q  
UhrRB  
5\= y9Z- x  
/&<V5?1|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run lZuH:AH  
TQmrL  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） m[KmXPFht1  
PZ`11#bbm  
%1$#fxR  
~\AF\n%  
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。 nJGs,~"  
El@*Fo  
总结 7F6B  
[`oVMR  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <e?Eva%t`  
1.模拟 [61*/=gWe  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 "TJ*mN.i{}  
2.研究 WubV?NX;EF  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 A=5Ebu!z  
3.优化 } ck<R
  
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。 C l,vBjl h  
4.分析 8*@{}O##  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 fggs ;Le  
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。