[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） II),m8G  
!dmI}<@&k  
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 haB$W 4x  
Kx#G_N@  
Km-lWreTH  
e}7qZ^  
简述案例 h/PWi<R i  
5$N4<Lo7  
系统详情 :#b[gWl0Ru  
 光源 {T=I~#LjMI  
- 强象散VIS激光二极管 lHZf'P_Wx  
 元件 r@wWGbQ|L  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） MYjDO
>(_  
- 具有高斯振幅调制的光阑 e8P |eK  
 探测器 !sfUrUu  
- 光线可视化（3D显示） wgI$'tI  
- 波前差探测 AnIENJ  
- 场分布和相位计算 U9kt7#@FDK  
- 光束参数（M2值，发散角） {s4:V=J  
 模拟/设计 pH)V:BmJ  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 2<U5d`  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： {8b6A~/  
 分析和优化整形光束质量 B*,9{g0m/  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 %vyjn
&13  
c1e7h l  
系统说明 5AQ $xm4  
e>"{nO
Y4  
hm?-QVRPV  
模拟和设计结果 ]vhh*  
qH"e: wgL  
数值探测器结果 5(TI2,4  
KJJ8P`Kx  
mtmtOG_/=  
fE7[Sk  
Pxy(YMv  
总结 g9
p#v$V  
NCX!ss  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :6Bk<  
1.模拟 Xg#Dbf4  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 %xkq
iI3Ff  
2.评估 ~
99Ta]U  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 -KbT[]  
3.优化 LWf+H 4iZ}  
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。 ,SS@]9A&  
4.分析 X]Sr]M^EK  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 t$rWE|+_z  
8[ :FU  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 p}O@%*p.  
7$;mkHu4H%  
详述案例 3|g'1X}  
^vJ08gu_W  
系统参数 WWHT;ST  
d v"  
案例的内容和目标 y7$e7~}/  
%e:VeP~  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 V#C
[I~l  
19&!#z  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 !j(v-pQf"  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 `{8Sr)  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 i#&]{]}Qv  
k h#|`E#,  
模拟任务：反射光束整形设置 h"M}Iz~|V?  
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。 _8DY9GaE  
/V-7u  
e2k!5OS  
rJKX4,M  
4?1Ac7bE  
23&;28)8  
规格：像散激光光束 *+lnAxRa?  
] QtGgWtC  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 +TA(crD  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 __'Z0?.4#  
k7f[aM5]  
qdvGBdF  
b]Oc6zR,,~  
Fu!:8Wp!(  
5{[3I|m{  
规格：柱形抛物面反射镜 Vr`UF0_3q  
                         (a@cK,  
 有抛物面曲率的圆柱镜 c[@>#7p`o  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 9{?<.%  
 曲率半径等于焦距的两倍 SQWA{f  
Cf2rRH  
uA*Op45  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） l4v)tV~  
%`-NWAXL  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 +!'6:F  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Td X6<fVV  
 离轴角决定了截切区域 &h8+-  
=KMd! $J\  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ?(;ygjyx  
eW0:&*.vMj  
   g}L2\i688  
 w~&bpCB!  
光束整形装置的光路图 7Ja^d-F7  
O/iew3YF  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 d #y{eV$Q  
 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。 dcYUw]  
RkP7}ZA;  
反射光束整形系统的3D视图 t.485L%  
d\'M ~VQ  
0JKbp*H  
]%"Z[R   
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 64hr|v  
 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）。 :q0C$xF  
V92e#AR  
详述案例 T->O5t c  
!>  
模拟和结果 6TlkPM$~2  
3[-L'!pOX3  
结果：3D系统光线扫描分析 d+[hB4!l2  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 +q
1 @8  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ) l0=jb  
F~)xZN3=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *`=V"nXw$|  
ZWh:&e(  
使用参数耦合来设置系统 Zb<DgJ=3  
//_v"dqP{)  
vEW;~FLd  
自由参数： )I$_wB
!UV  
 反射镜1后y方向的光束半径 xH; 4lw  
 反射镜2后的光束半径 By:A9s  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） LtXFGPQf  
 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。 V)_mo/D!D  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 :,LX3,  
[;h@q}  
*"q~z  
)xT_RBR  
q@r8V&-<  
O`rAqO0F  
q#c\  
自由参数： \62|w HX  
 反射镜1后y方向的光束半径 L#m1
!+J  
 反射镜2后的光束半径 0waQw7 E  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Qm^N}>e  
 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。 ,d&~#
W]  
`?2S4lN/  
!!DHfAV]  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 bUU_NqUf*3  
Wd3/Y/MD  
oju4.1  
结果：使用GFT+进行光束整形 2{| U  
`~VV1  
yLipuMNV  
]* ':  
nhiCV
>@y  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 &5~bJ]P  
+p>tO\mo  
n;
/yo~RR  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 AQ'~EbH(  
bCy.S.`jHQ  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 f0O"Hm$Z  
u4rGe!  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 6- s/\  
xCiY jl$  
SHIK=&\~-  
6rq:jvlx$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd #L`@["  
yAW%y  
结果：评估光束参数 3K_
J"B*7  
m!tB;:6  
C8e{9CF  
 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。 >#)^4-e  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 W(9-XlYKE  
PL%U  
p*8=($j4  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 [59_n{S 1  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） tF O27z@  
K*d+
pImrV  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Dc}-wnga  
^R! qxSj  
光束质量优化 9V9K3xWn  
'[I?G6  
@9~6+BZOq  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 gC> A*~J;  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 %8DU}}Rj  
}[l
d=9p(  
结果：光束质量优化 4`7N}$j#,  
tux/@}I  
|p-, B>p!  
 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。 v8I&~_b  
>DP9S@W  
%7xx"$P:R  
2ed$5.D  
 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。） AD_")_B|i  
nxS|]  
N>/!e787OU  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd I~-W4
{  
sC(IeGbX
 
反射镜方向的蒙特卡洛公差 K
7 -AVMY  
|Rd?s0u  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ; $i{>mDT  
qRZv[T%*Q  
-Wd2FD^x  
 这意味着参数变化是的正态 .D!0$W mOZ  
nQy.?*X  
nm`[
\3R  
?\"G
T]5D  
J<'[P$D  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 Ub2t7MU  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 >-*rtiE  
U0 nSI  
O3/][\  
6!*be|<&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ikX"f?Q;S2  
o$;t  
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） ^~9fQJNs  
eyUguA<lK\  
't.IYBHx  
v[{g"C  
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。 &kUEnwQ-  
j)xRzImu  
总结 rofj&{w  
I$7|?8  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Iv+JEuIi  
1.模拟 ]Wr2IM  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 R
/ix,GC  
2.研究 }Z#KPI8\Q  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 b+Sq[  
3.优化 `?f6~$1  
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。 ;-sZaU;  
4.分析 Heh.CD)Q  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 tg-U x  
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。