[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） "9s_[e  
!G;u )7'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 (*$b
TI/~  
Y}c/wF7o  
7
_i8'(``  
mtv8Bm=<  
简述案例 } jj)  
o]oiJvOr  
系统详情 Kn~Rck| ]  
 光源 [Iks8ZWr_  
- 强象散VIS激光二极管 !e|\1v'
0  
 元件 Tsg9,/vXM  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
a<G&
}|6  
- 具有高斯振幅调制的光阑 U7s$';y"%  
 探测器 4qie&:4j  
- 光线可视化（3D显示） uatUo  
- 波前差探测 SL4?E<J
b  
- 场分布和相位计算 nzflUR{`-  
- 光束参数（M2值，发散角） )Zr9 `3[  
 模拟/设计 '}_r/l]K  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 nQc#AFg  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： p)IL(_X)  
 分析和优化整形光束质量 0\%g@j-aD  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 S!b18|o"  
X.t4;  
系统说明 $"kPzo~B_  
@V*dF|# /  
jfuHZ^YA  
模拟和设计结果 x z_sejKB  
xR1G  
数值探测器结果 A0DGDr PD  
OldOc5D  
o:@Q1+p  
|H5.2P&9-5  
q\0/6tl_  
总结 I/dy^5@F  
H-kX-7C  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 CZ5\Et6r  
1.模拟 9"P|Csj  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 /5ZX6YkeH  
2.评估 n"(!v7YNp  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ]Ox5F@  
3.优化  j#](Q
!  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 s*izhjjX  
4.分析 l[}4 X/  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 U[C4!k:0  
\fA{sehdL  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 Zzlf1#26\  
=c[tHf  
详述案例 =hPXLCeC  
"%-Vrb=:Y  
系统参数 6CY&pbR  
YT\@fgBt  
案例的内容和目标 ]\78(_o.zz  
_Iy\,<  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 B 71/nt9  
tEhg',2t(  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 JWn26,  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 K;?D^n.  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 u
x;?WPyr  
*G19fJ[5  
模拟任务：反射光束整形设置 (eN7s_  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 y?$DDD  
r\Nfq
(w  
ZitM<Qi&y  
`3+i.wR  
Z>rY9VvWD  
yayhL DL  
规格：像散激光光束 c3vb~l)  
AJPvwu}D  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 zCx4DN`  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /).{h'^Hq\  
u!_l/'\  
,erw(7}'.  
t'qYM5  
@YJI'Hf67  
4U}qrN~=  
规格：柱形抛物面反射镜 yeo&Qz2vU  
                         =
6%oW2E\  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Fhoyji4  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 8t-GsjHb  
 曲率半径等于焦距的两倍 oaoTd$/5  
=CX1jrLZ  
+&EXTZ@o  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） y>^a~}Z
q  
]\$/:f-2  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 *ukyQZ9  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） V2MOD{Maat  
 离轴角决定了截切区域 c`;\sW-_W  
kx
n&f(5  
规格：参数概述（12° x 46°光束） CD|[PkjW  
ahBqYAK9  
   >| R'dF}  
}cKB)N BJb  
光束整形装置的光路图 ?^}30V:E  
U.%Kt,qB  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 c'2d+*[  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 K2   
i|YS>Pw~j  
反射光束整形系统的3D视图 v9*m0|T0M  
x(_[D08/TT  
jlEz]@ i  
}f}.>B0#  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 xmW~R*^  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 v3tJtb^'!  
?6#won  
详述案例  4M'>oa  
Tb/TP3N  
模拟和结果 Qzi?%&  
}pc9uvmIJ  
结果：3D系统光线扫描分析 P]E-Wp'p  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 W U(_N*a  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 g?C;b>4  
AOf4y&B>q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~Bd=]a$mj  
H}@:Br
i  
使用参数耦合来设置系统 k9|5TLXq?  
cNs'GfD}  
G dgL}"*F  
自由参数： 92+8z
X  
 反射镜1后y方向的光束半径 6%D9;-N)  
 反射镜2后的光束半径 niVR!l  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） W:w~ M'o  
 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。 aQk&#OQy  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 I<SgKva;c  
yU$MB,1  
.8hI ad  
*6uccx7{  
WzMYRKZ  
FhE{khc#  
&y[NCAeA  
自由参数： _;<!8e$C  
 反射镜1后y方向的光束半径 ==[,;g
x  
 反射镜2后的光束半径 uOxHa>h  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !_S>ER  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 D$>_W,*V  
3Ob.OwA  
sdu?#O+c1  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Fsx?(?tCMo  
u8e_Lqx?  
tAX*CMW  
结果：使用GFT+进行光束整形 *bkb-nKw  
IThd\#=  
@KG0QHyiU  
t6+m` Kq  
_IH" SVub  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 yPyu)  
?J[3_!"t  
^0VL](bD>  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 [oWkd_dK  
3v* ~CQy9  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 cby#  
jDzQw>TX  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： voWH.[n^_  
"kg`TJf=  
5*0zI\  
f^c+M~\JKj  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd )U^=`* 7  
 Et>#&Nw8  
结果：评估光束参数 3? {AGJ1  
-(VJ,)8t2  
.Po"qoGy  
 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。 0^;2  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 g40Hj Y  
P<<$o-a"  
.RQra+up  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 +z >)'#  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） 8`=?_zF  
gY}In+S  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd .
hTqZvDa  
6W1GvM\e  
光束质量优化 k.@![w\ea  
Q PH=`s  
`y8pwWo-o  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 j50vPV8m  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 dj gk7  
 56.!L  
结果：光束质量优化 ^@fD{]I  
g` rr3jP  
.?>Cav9:  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 <O#&D|EMd|  
1#vy# '  
V^~RDOSy7n  
q?,PFvs"  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ;\MWxh,K  
Pz4#>tP  
5#Er& 6s  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 3o.x<G(  
yR[6s#F/h  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 .qBc;u  
!pU$'1D
 
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 *_V+K  
]ua3I}_B6v  
]HKt7 %,  
 这意味着参数变化是的正态 ?d')#WnC  
">V&{a-C4  
Y&2FH/(M  
.#EU@Hc
  
w OL,LU  
 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。 D%SOX N  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 7Sdo*z  
Z)!8a$M~  
:X>Wd+lY:_  
n,I3
\l9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run lyn%r  
@@d_F<Ym[  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） Kda'N$|`  
6<&~R3dQ  
*d._H1zT  
Hv6h7-  
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。 dX(JV' 18A  
i_qY=*a?y  
总结 1U\ap{z@  
CmEqo;Is  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 J[/WBVFDf  
1.模拟 xAmtm"  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 8SRR)O[)}  
2.研究 ay"jWL-  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ~nZcA^b#DQ  
3.优化 c*KE3:  
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。 *s6x  
4.分析 Y6{^cZ!=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 4o>y9  
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。