[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ?)PcYrV  
Lq&xlW j  
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 LQQhn{[D  
tIvtiN6[|l  
n+i}>3'A  
"M*\,IH  
简述案例 QWP_8$Q  
igQyn|  
系统详情 G37_ `C  
 光源 WMC6dD_6e  
- 强象散VIS激光二极管 ~|!lC}!IKL  
 元件 <=`@`rm{  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） [j/-(?+  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Z3/zUtgs  
 探测器 CRf^6k_;(  
- 光线可视化（3D显示） \4&g5vE  
- 波前差探测 N,1wfOE  
- 场分布和相位计算 A
6Qi^TI  
- 光束参数（M2值，发散角） 1h"B-x  
 模拟/设计 2KX *x_-  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 2-CK:)n/#  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： l{3utQH-=z  
 分析和优化整形光束质量 #nd,cn  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 KG?]MVXA  
NdZ: 
7  
系统说明 :=8vy  
doa$ ;=wg  
}qg!U
m0  
模拟和设计结果 ls5S9R 5  
%SE
g(<  
数值探测器结果 - t+Mh.  
5-J-Tn  
{J]|mxo  
Nf~<xK  
 e?7paJ  
总结 $OO[C={v[  
nk{1z\D{  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 l%IOdco#  
1.模拟 ;Cy@TzO/|  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Q9'p2@Z  
2.评估 v3NaX.  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 C+mU_g>  
3.优化 e'`oisJU?q  
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。 tX_eN  
4.分析 wfdFGoy(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bODl q  
}B5I#Af7  
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。 |bk*Lgkzw  
'tbb"M
Ei4  
详述案例 RD4)NN6y5}  
j.
6kjQN  
系统参数 xv:?n^yt.[  
"OPUGwf  
案例的内容和目标 sHF vzE%  
!2Orklzd1  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 QJ>>&`{,  
piP8ObGjy  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 J-}NFWR;t  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 =T-w.}27O  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 w.8~A,5}Dh  
w#e'K-=  
模拟任务：反射光束整形设置 HZ}*o%O  
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。 Zx_m?C_2_  
pR"qPSv'  
Y[!a82MTzn  
>=V+X"\Z  
gy{a+Wbc*  
~K9U0ypH  
规格：像散激光光束 p[b\x_0%c  
Q-F9oZ*0  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ,:`6x[ +  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /Uc*7Y5j  
k@L~h{`Mc\  
)hug<D *h  
z m'jk D|  
0U>Q<I}  
R%%`wmG)"  
规格：柱形抛物面反射镜 `y`xk<q  
                         #lF<="y%X  
 有抛物面曲率的圆柱镜 q8Dwu3D  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 }kj6hnQ  
 曲率半径等于焦距的两倍 {<kG{i/  
ZkW@|v  
O[!o1.  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） `xUPML-  
K_QCYS.  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 |Z ,G  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Aq!['G  
 离轴角决定了截切区域 WM"^#=+
$  
5F"?]'
*/  
规格：参数概述（12° x 46°光束） lQBM0|n  
Rs`a@Fn  
   &r%*_pX  
PoJ$%_a}  
光束整形装置的光路图 F-^HN%  
+,Az\aT/%  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 s3{s.55{m  
 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。 U[b;#Y1X  
}&DB5M  
反射光束整形系统的3D视图 #-T.@a1X  
1v&Fo2ML  
FRFAWK<  
cO,V8#H  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 A+I&.\QAR  
 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）。 C8EC?fSQ  
wkD:i2E7  
详述案例 @@83PJFid  
,
dx)rZ*  
模拟和结果 fm%RNAPvc  
N@6OQ:,[F  
结果：3D系统光线扫描分析 P/Kit?kngS  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 `mjx4Lb  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 toqzS!&.v  
e({fY.)SGo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Wk\@n+Q{]  
{~fCqP.2  
使用参数耦合来设置系统 YM`pNtQ  
8e!DDh  

KC:4  
自由参数： l&*)r;9  
 反射镜1后y方向的光束半径 !y-2#  
 反射镜2后的光束半径 lt6
;*z[  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） kQVDC,d  
 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。 ShJK&70O  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 [!@oRK
=~  
=5~F6to  
-,VhSI  
S tnv>  
>:E*7
 
oL'1Gm@X?  
s;2/Nc   
自由参数： .l+~)$  
 反射镜1后y方向的光束半径 ?
[VpN2*  
 反射镜2后的光束半径 V.ji _vX  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !?o$-+a|  
 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。 ^qO=~U!{  
7TkxvSL X  
Z.':&7Y  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 vA"niO  
}l(m5  
s S5fd)x  
结果：使用GFT+进行光束整形 96pk[5lj{?  
B>Cs&}Y!  
pp]_/46nN  
wD],{y  
f{Fe+iPc  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 D!}K)T1~R  
7~"(+f  
(X(1kj3  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 6I>5~?
#  
P:(EU s}0  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 6W;?8Z_1  
l>D-
Aan  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： -nk#d%a\  
px|>
v8  
!ml_S)  
'Z.OF5|eGT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd N pXgyD  
b>QM~mq3^I  
结果：评估光束参数 dGsS<@G  
YxEbg(Y  
8nIMZV  
 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。 G7Z vfLR{:  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 1a&/Zlr  
HX3D*2v":  
drENkS=,  
 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。 VJN/#   
 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） >wKu6- ]a  
o)
tKH@`vE  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2"leUur~rO  

19F ;oFp  
光束质量优化 3+(yI 4  
goDV2alC^  
.QXG"R  
 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。 /WgPXEB  
 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）。 QSHJmk 6L  
m!5HRjOO  
结果：光束质量优化 9DOkQnnc  
Ak5[PBbW  
>-5td=:Z  
 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。 jq57C}X}2  
=6cyE  
_BG8/"h32  
x0\e<x9s  
 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。） (;0$i?3\  
-ca7x`yo  
M*5,O
 
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd L#`2.nU  
}_{y|NW  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 E?Zb~xk  
5LQk8NPh  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 `FA)om  
^IX%dzM  
VK2@2`$  
 这意味着参数变化是的正态 [D3+cDph  
nJFk4v4:2  
>u=%Lz"J  
[ rQMD^:M$  
XC|*A$x,  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 Dv<wge`  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 w4\BD&7V  
fy&#M3UA\U  
i@P9EU  
)]%e  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,~
(|p`  
tT;8r8@  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） h&lyxYZ+T$  
A LXUaE.  
!|:RcH[  
GI4?|@%vD!  
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。 m8'@UzB  
8 AFMn[{  
总结 O\6vVM[  
A-Mj|V  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 B@-|b  
1.模拟 ?4^};wDb2  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 N99[.mErU  
2.研究 0|g[o:;fl_  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 :'Zx{F`  
3.优化 {'NBp0i  
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。 mge#YV::  
4.分析 ~?gzq~~t  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 E W`W~h[  
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。