[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） b& -8/t  
%6m' |(-  
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 =6i+K.}e  
@LDs$"f9=  
+DR{aX/ll  
H*P+>j&  
简述案例 IiE^HgM  
(I'{ pF)  
系统详情 XW@C_@*J  
 光源 &GvSgdttv  
- 强象散VIS激光二极管 |"9vq<`  
 元件 fX6pW%Q'6  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） nZc6 *jiz  
- 具有高斯振幅调制的光阑 7,V_5M;t  
 探测器 }[MkJ21!  
- 光线可视化（3D显示） ]=I2:Rb  
- 波前差探测 QD%6K=8Q  
- 场分布和相位计算 mH5>50H;  
- 光束参数（M2值，发散角） 3d7A/7S  
 模拟/设计 |$ZS26aYw}  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 _`0DO4IU  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： VM\\.L  
 分析和优化整形光束质量 aGsO~ODc  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 VGu(HB8n#  
]KXyi;n2  
系统说明 U5@B7v
1  
Bss*-K]  
}J92TV  
模拟和设计结果 8*&73cp  
;C , g6{  
数值探测器结果 w}t}Sh  
GC3d7  
Br&&#  
@~N"MsF3  
)1R[X!KQ7  
总结 a|[f%T<<  
qQO*:_ezzk  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $=^}J6  
1.模拟 (nuTfmt>  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -eS r  
2.评估 \u[5O@v#  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 "&^KnWk=  
3.优化 )=x4+)9  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 >9#) obw  
4.分析 &TrL!9FtJ  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 .pm%qEh  
TL7qOA7^X  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 0Q,Tcj  
yfR0vp<&  
详述案例 /Dt:4{aTOC  
[Fk|m1i!  
系统参数 >TawJ"q-6R  
u(?U[pe[  
案例的内容和目标 0oBAJP  
[eTEK W]  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 xy$aFPH!-  
Gi$\th,  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 f4NN?"W)  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 D;+Y0B  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ncOl}\Q9  
`zl,|}u)  
模拟任务：反射光束整形设置 p-rQ'e  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 48G^$T{  
h4Arg~Or  
`022gHYv  
/~fu,2=7  
.RmoO\ ,Gm  
FB
>P39u  
规格：像散激光光束 -O/[c  
)-}<}< oO  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 UCFFF%  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Xqew~R^MP  
U-f8D  
J#iuF'%Ds  
* 0JF|'  
N}{V*H^0QU  
Tkp"mT v?<  
规格：柱形抛物面反射镜 <pS#wTsN4%  
                         F*Yx1vj  
 有抛物面曲率的圆柱镜 hg'eSU$J  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 0D `9  
 曲率半径等于焦距的两倍 \RFA?PuY  
Dsv2p~  
QAZs1;lU  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） rfSEL 57'  
Tgi7RAY  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 -JFW ,8=8  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ~=oCou`XF  
 离轴角决定了截切区域 }20tdD ~  
tO"AeZe%|  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 9fM=5  
wZ`{ i  
   j0Os]a  
JlEfUg#*  
光束整形装置的光路图 o`'4EVw*  

\lDh"  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 >^<;;8Xh  
 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。 HFz;"s3lWM  
EF=5[$ u  
反射光束整形系统的3D视图 L"jjD:  
8/ukzY1!  
;\j'~AyCn  
8hyXHe  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 6KN6SN$  
 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）。 /@DJf\`vM  
SVV-zz]3M  
详述案例 />>KCmc  
R7FI{A  
模拟和结果 WBzPSnS2  
PBiA/dG[;  
结果：3D系统光线扫描分析 W}(T5D" 3x  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。
9]/:B8k  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 j``Ku@/x0  
QNXS.!\P  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /&c>*4)  
X>]<rEh  
使用参数耦合来设置系统 %y)hYLOJ  
1h)K3cC  
hOdU%  
自由参数： UCTc$3  
 反射镜1后y方向的光束半径 7 VYhRC-  
 反射镜2后的光束半径 PVmePgF   
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） a,fcR<  
 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。 <l+hcY
am  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 0B~x8f  
AB<bW3qf(  
e?]HNy  
xz+;1JAL3  
?PV@WrU>B  
9}q)AL-ga  
mFd|JbW  
自由参数： vP%:\u:{  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~!%G2E!  
 反射镜2后的光束半径 plNw>rFa  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） P4E_<v[  
 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。 6G_{N.{(  
N7;kWQH  
]/[@.   
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 z38Pi  
Ch~y;C&e+r  
.n?i'8  
结果：使用GFT+进行光束整形 z 5~X3k7  
`)BZk[64  
RE]*fRe7#  
dXU6TCjU7  
1gLET.I:  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 =">0\#  
lg^Lk\Y+re  
cf%2A1I2W  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 `bd9N!K  
%PK(Z*>  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 (^<skx>  
b,(<74!#8  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： <LX-},?P  
;YBk.} %  
Scmew  
Emk:@$3{r  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8>X]wA6q  
&u(pBr8B  
结果：评估光束参数 y+Bxe)6^V  

g12.4+  
@?t+O'&  
 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。 tS,AS,vy]  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 1IK*j+%  
v<| iN#  
*I k/Vu%;  
 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。 ]2iEi`"[  
 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） iU#"G" &  
bhfC2@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd i> {0h3Y  
gaE8\JSr  
光束质量优化 \+C0Rv^^  
T?7++mcA  
iN5[x{^t  
 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。 * C
*aH6*  
 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）。 i=V2 /W}  
(:}}p}u  
结果：光束质量优化 OM@z5UP  
VpED9l]y  
J{nA ?[  
 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。 mCQ:<#  
?07}\N0~  
5wv7]F<  
z|$9%uz"  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） LK>;\BRe?  
i\o * =+{r  
Ghar hJ>v  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd qGP}  
p>W@h*[6w  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 1buO&q!vn  
nrbP3sf*  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。  gq}c  
?5j~"  
:_o^oi7G  
 这意味着参数变化是的正态 bb-u'"5^]  
s$^2Qp  
D|'[[=  
CKC5S^Mx  
OLqyn
Y  
 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。 yI%q3lB}^  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 XS.*CB_m_  
KD--w(4  
zqp>Xw  
y-"QY[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,MG`}*N}  
r5NH*\Q  
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） @eq.&{&  
y43ha  
c Ze59  
f5/s+H!  
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。
4EaxU !BT  
q*cEosi'F?  
总结 r4
b-.>w  
%pf9Yd0t  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 v3<q_J'qT  
1.模拟 .-Dc%ap
]  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 +M<W8KF  
2.研究 -TS,~`O  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 z:u)@>6D1  
3.优化 J :KU~`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。 h,,B"vPS  
4.分析 "|V}[
2  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 K\.tR  
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。