[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） e!+_U C  
_*(n2'2B  
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 u ##.t  
N~<H`  
x>Hg.%/c[  
i,77F!  
简述案例 LV$@J  
6xLLIby,  
系统详情 I/F3%'O  
 光源 cr;\;Ta_!W  
- 强象散VIS激光二极管 RtE2%d$JT  
 元件 h]|E,!H  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 5e>
<i  
- 具有高斯振幅调制的光阑 U_1syaY!  
 探测器 .?C-J  
- 光线可视化（3D显示） }p2YRTHx  
- 波前差探测 1 uKWvp0\  
- 场分布和相位计算 -UJ; =/  
- 光束参数（M2值，发散角） az5 $.  
 模拟/设计 +W{ELdup%q  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 6xFvu7L_c;  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： zjuU*$A4  
 分析和优化整形光束质量 Lm-
yTMNPn  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析  X`REhvT  
D #<)q)  
系统说明 dnZA+Pa  
/hNZ7\|P  
q4'Vb  
模拟和设计结果 hcQky/c\#b  
;r**`O  
数值探测器结果 ?b}d"QsmU  
WyO7,Qr\
 
s>A!Egmo  

W,\
LdQ  
Pz=x$aY  
总结 O@[jNs)].  
-d|Q|zF^x  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 X4- _l$j  
1.模拟 d[cqs9=
\  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 v>e%5[F  
2.评估 >?pWbL  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 C(RZ09,.S  
3.优化 @raw8w\Zj+  
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。 st|;]q9?  
4.分析 >EMsBX  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 -AJ$-y  
@|N'V"*MT  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 dZMOgZ.!yr  
Y?1 3_~ K  
详述案例 2HxT+|~d6  
|zJxR_)  
系统参数 }D/O cp~o  
\.@fAgv  
案例的内容和目标 ;q8tOvQ  
G`a,(<kT;  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 FEdWe\E  
Z#J cNquM  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 x]1G u  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ,-4SVj8$P  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 nBVR)|+M  
 D8w:c6b  
模拟任务：反射光束整形设置 pl-2O
$  
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。 B4/0t:
^I  
UG]]Vk1d]  
yB>5p]$P  
{*X8!P7C  
c h_1-  
QG|KZ8uO  
规格：像散激光光束 13:yaRo  

)ZyEn%  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 h{$mL#J  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 NI@$"  
+c8cyx:^f  
"agc*o~!F  
R%(ww  
n@hf{hA[a  
_fVC
\18T  
规格：柱形抛物面反射镜 #P)7b,3pe  
                         shjq4#9  
 有抛物面曲率的圆柱镜 %XpYiW#AK  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 /~4wM#Y
i8  
 曲率半径等于焦距的两倍 r_5k$u(  
-w0U}Te^  
3?}W0dZ$d  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） {3jV ,S  
#Cw
zk{p(  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 RR%[]M#_T  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） isdEs k#A.  
 离轴角决定了截切区域 bZ/4O*B  
RpAtd^I  
规格：参数概述（12° x 46°光束） D<.zdTo  
f9Vxtd  
  
|5ifgSZ  
^kS44pr\Q  
光束整形装置的光路图 _n[4+S*v(  
#rE#lHo  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 BFCF+hU^6R  
 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。 r N"P IH  
Uf:G,%OYi  
反射光束整形系统的3D视图 vPVA^UPNV  
:sMc}k?9S  
% d%KH9u  
?q68{!{bi  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Qp~W|zi(  
 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）。 mXX9Aa>  
efK)6T^p  
详述案例 hhS]wM?B  
*ybwlLg  
模拟和结果 +2}aCoL\  
 Tl.%7)  
结果：3D系统光线扫描分析  J
i>  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 DwQaj"1<%  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 6.%V"l   
K?y!zy  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd HuX{8nla  
\"E-z.wW=  
使用参数耦合来设置系统 M5SAlj  
 IX|2yu4  
oNgu-&  
自由参数： }F*u 9E  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~[J&n-bJU  
 反射镜2后的光束半径 IT`r&;5  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） { .z6J)?J2  
 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。 ;'\{T#5)  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 N"i'[!H%  
#-QQ_  
+sTZ) 5vQ  
zH0{S.3k  
]"Do%
<  
6j]pJ]F6  
V9v80e {n4  
自由参数： Eua\N<!aai  
 反射镜1后y方向的光束半径 =xs{Ov=  
 反射镜2后的光束半径 a;Nj'M~U  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,{@,dw`lUz  
 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。 K22'XrN  
jLULf+8&  
Q k`yK|(0=  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 cVzOW|NVx  
uZyR{~-C  
UTa
tcn  
结果：使用GFT+进行光束整形 H
8>u:  
%8?s3^o  
#j_<iy  
&^HqbLz  
cuJ%;q=;  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 @K 8sNPK  
AZmABl  
W_zv"c  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 !MOgM  
ZMSP8(V  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ToUeX
U [  
e ;4y5i  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： +4kBd<0Y  
y;N[#hY#CD  
!aSu;Ln  
a0Y/,S*K  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd a@&^t(1  
rYnjQr2a  
结果：评估光束参数 2 {lo  
: "[dr~.  
R@=Bk(h  
 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。 *$ZLu jy7  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 L< MIl[z7  
qTA
@0fL  

fP41B  
 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。 *D: wwJ  
 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） C0\A  
aqTMOWyeu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd i,=CnZCh  
^Zh YW  
光束质量优化 &n% 3rC5{  
Pv.z~~lY  
[.}-nAN  
 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。 su~_l[6  
 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）。 Q3SwW  
'F'v/G~
F  
结果：光束质量优化 UR~9*`Z ,  
< PoRnx  
*KP 60T  
 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。 lFT_J?G$'  
6x*u S~'  
sjLI^#a  
hP4*S^l  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） H26'8e  
Te`Z Qqb  
%DAF26t  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Ku{DdiTg>  
~Co7%e V  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 LPgP;%ohO/  
'kW'e  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 @g*=xwve=~  
'l$<DcBj  
?`Oh]2n)6  
 这意味着参数变化是的正态 X!0s__IOc  
A*ImruV  
N@UO8'"9K&  
n/_cJD\  
v%|()Z0  
 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。 yQ> *F  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。
PjEKZHHz  
%2=nS<kC  
N 3)OH6w"  
H4'xxsx  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run .'Vjs2 2  
`;L0ax  
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） jV^Dj  
8$!/Zg  
1!RD kZwe  
dKcHj<'E/  
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。 CtwMMZXX3  
/#?lG`'1  
总结 +%%FT#ce  
zmI?p4,  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 LEMgRI`rf  
1.模拟 Xidt\08s  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 yi3@-
 
2.研究 S5ofe]tS@  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 zV {[0s  
3.优化 rt5UT~  
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。 Lxm1
.TOJ  
4.分析 6=]%Y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 h3.wR]ut  
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。