[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） \X(*JNQ  
}JQy&V%  
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 sb_/FE5e  
9v
DOSwU*  
qo\9,<  
\@h$|nb  
简述案例 :F[s  
kQ&Q_FSO  
系统详情 8#,_%<?UVy  
 光源 @C=gMn.E  
- 强象散VIS激光二极管 *6u2c%^  
 元件 6)i>qz).
 
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） cotySio$  
- 具有高斯振幅调制的光阑 JP( tf+  
 探测器 tD#)  
- 光线可视化（3D显示） 4DL2 A;T  
- 波前差探测 2PeMt^  
- 场分布和相位计算 bxO/FrwTj{  
- 光束参数（M2值，发散角） 1Lje.%(E.  
 模拟/设计 }|8^+V&  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Y%TY%"<  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： :6(@P1vA 6  
 分析和优化整形光束质量 )J+OyR=  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Qqj9o2  
w3b?i89  
系统说明 |9FrVO$M  
>y#qn9rV1  
qvWi;  
模拟和设计结果 Z'5&N5hx  
?+Vi !eS  
数值探测器结果 /D|q-`*K  
KC:6^h'.  
n?D/bXp  
#M#$2Vt  
X+u1p?  
总结 /f oI.
S  
jVoD9H F/  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "dOQ)<;  
1.模拟 y|0/;SjV  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ^ )!eiM  
2.评估 1.8"N&s  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 w<]-~`K  
3.优化 ~@@$-,}X  
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。 X6w+L?A  
4.分析 Y+$]N:\F\  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 {w"Cr0F,  
ld({1jpX,  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 7042?\\=  
OfA+|xT&  
详述案例 #v~dhx=R  
Ii/{xVMD  
系统参数 <rui\/4NJ  
cZoj|=3a  
案例的内容和目标 =;I+:K  
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*]6^  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ve.P{;;Ky  
~5Mj:{B  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 EASmB  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 xA2I+r*o  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 b"trg {e  
P&:[pPG  
模拟任务：反射光束整形设置 c(5XT[Tw  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 1#+|RL4o  
F)imeu  
vE#8&Zq  
l1L8a I,8  
1L7^g*  
H*f2fyC1\  
规格：像散激光光束 +`V<& Y-5l  
=h ~n5wQG  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 &?xmu204  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 FQ47j)p;  
tW-[.Y -M,  
x`IWo:j  
"Vo
ufXM:  
*0V'rH)  
BE~-0g$W  
规格：柱形抛物面反射镜 W|n$H`;R  
                         9pS:#hg  
 有抛物面曲率的圆柱镜 )4:]gx#cr  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 9~a5R]x2  
 曲率半径等于焦距的两倍 kw2d<I$]  
2@ZRz%(Oa&  
$o
$WFV+h  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 6zNWDUf  
O2 +
K  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 .J+F HG'  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） )z4eRs F|  
 离轴角决定了截切区域 w5/6+@}  
b9
-3  
规格：参数概述（12° x 46°光束） \"Z\Af<  
=iDd{$  
   vv^y V"0Y  
Gui[/iY,F  
光束整形装置的光路图 G^dzE/:  
),j6tq[  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 f4+wP/n&  
 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。 0,.|-OZ  
?gvu E1  
反射光束整形系统的3D视图 _RZ"WA^[  
!u  .n  
kDM?`(r  
aU[!*n 4Ux  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 .4$F~!aj9  
 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）。 8]1,EE<  
^~@3X[No  
详述案例 1cRF0MI  
qZ@d:u  
模拟和结果 Eelv i5  
,\#s_N7  
结果：3D系统光线扫描分析 ]\L+]+u~  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 b^ [ z'  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 72*j6#zS  
{{gt>"
D,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd pFwJ:  
|90X_6(  
使用参数耦合来设置系统 ji.?bKqHE  
]?oJxW.  
IXm[c@5l  
自由参数： zfg+gd)Z
 
 反射镜1后y方向的光束半径 c813NHW  
 反射镜2后的光束半径 Z'}%Mkm`i}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） h.l.da1#  
 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。 w1VYU>  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 D.x8=|;  
}Ya! [tX  
9$C?)XKXB  
EYCZuJxv  
0G33hIOS  
>lzXyT6x8  
ZW0\_1  
自由参数： LEOa=(mN\  
 反射镜1后y方向的光束半径 )EKWsGNe/  
 反射镜2后的光束半径 _VmXs&4  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） R
yxu#]s  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 &?Q^i">cZ  
&rPAW V'v  
w9O!L9 6  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 U[8F{LX  
U|\ .)h=  
YG8)`XqC  
结果：使用GFT+进行光束整形 7l~^KsX  
6?C';1  
"Jg.)1Jw  
lQvgq  
&1&OXm$  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 J]{<Z?%  
nKnrh]hX  
o76!
7  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 =NI?Jk*iAq  
e#mqerpJ  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 S?C.:  
>w,jaQ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： _<Ij)#Rq7  
TJZ~Rpq  
<p/2hHfiD  
$?]`2*i  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4>vO9q  
|0}7/^  
结果：评估光束参数 .y3E@0a  
CYwV]lq:s  
3(,m(+J[S  
 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。 8TP~=q
U  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ]vn*eqd  
S4{vS?>j  
z/f._Z
(  
 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。 #)twk`!^  
 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） &NoA, `|7  
%Q &']  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd <j,3D
n  
q1x[hv3 pP  
光束质量优化 j2u'5kJ G  
^,AE;ZT7  
r=vY-p  
 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。 7 @}`1>97  
 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）。 d^!k{Qx'  
bu_@A^ys  
结果：光束质量优化 I9>vm]  
_X;,,VEV!  
V&vG.HAT  
 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。 ge6S
_"
 
T#E$sZ  
fHEIys,{  
xRhGBb{@s  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） yI#qkl-  
0a8\{(w  
.KC V|x;QW  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd GIcq|Pe  
L8f+uI   
反射镜方向的蒙特卡洛公差 V:J|shRo  
#0uu19+}  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 X1a~l|$h  
&oB*gGRw=7  
U]vUa^nG  
 这意味着参数变化是的正态 ?QJx!'Y,p  
jdu6P+_8n  
f'(F'TE  
qK#"uU8B  
z _\L@b  
 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。 !-470
J  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 :f39)g5>  
~/-SKGzo-  
r0lI&25
w  
7qO
kv1.}0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run wbKJ:eWgt  
^\Q,ACkZb  
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） U,v`md@PX  
Kb<c||2Nh5  
2#lpIj  
S|k@D2k=  
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。 r/a@ x9  
N~C
Qh=<  
总结 Cy6!?Mik  
/4pYhJ8S  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 uKM` umE  
1.模拟 I5l%X{u"N  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 4_j_!QH87  
2.研究 :'C?uk ?  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 .*njgAq7  
3.优化 .`+~mQ Wn  
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。 wUr(i*  
4.分析 z8}QXXa  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 }(Fmr7%m  
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。