[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） [DF,^4g  
4B^ZnFJ%m  
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 `-p:vq`  
EUxGAj$-  
!Y[lQXv  
-&-Ma,M?  
简述案例 z[3L2U~6  
7BJzMlJ1Y  
系统详情 c5u@pvSP  
 光源 kYjGj,m"  
- 强象散VIS激光二极管 W;,C_  
 元件 wwyPl  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） J%,*isEL  
- 具有高斯振幅调制的光阑 egq67S  
 探测器 K~| 4[\  
- 光线可视化（3D显示） ;ShJi  
- 波前差探测 !K'}K>iT  
- 场分布和相位计算 l\@)y4 +  
- 光束参数（M2值，发散角） iLkZ"X.'|1  
 模拟/设计 P7{gfiB  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 l=v4Fa0^jF  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 4x 8)gE   
 分析和优化整形光束质量 ~x]jB  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 bp~g;h*E2  
'LE=6{#  
系统说明 `pG
a~!vl  
/N&CaH\;^$  
/\4'ddGU  
模拟和设计结果 _Nqt21sL  
ZOZ+Y\uU  
数值探测器结果 '2[albxSc  
A}3=561F?5  
&2{tF  
s=0BMPDgm  
z}*9uZ  
总结 oz}+T(@O  
!X;1}  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7G/1VeVjB  
1.模拟 /assq+H  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 d'G0m9u2  
2.评估 Yq%9M=#k  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 osX8eX]\  
3.优化 j,"@?Wt7  
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。 (A~/'0/  
4.分析 d~1gMz+)  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 {M^3m5.^  
5Hw~2 ?a,  
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。 7~5ym15*  
LC'{p  
详述案例 +PcmJ  
<w)r`D6  
系统参数 jhb6T ?}  
B4i!/@0s  
案例的内容和目标 TjwBv6h  
-bSSP!f  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 &i$ldR  
VCD:3U 8  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 $**r(HV  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 |
4uWh  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 &8g?4v  
YTexv;VNb|  
模拟任务：反射光束整形设置 Dk(1}%0U/  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 \v.C]{Gzc  
9.a3&*tV[  
TwVlg;  
z6w3"9Um  
(3{YM(  
ihP|E,L=L  
规格：像散激光光束 .`4{9?bR  
q&W[j5E  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ](wvu(y\E  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /#VhkC _  
^`)) C;  
R}4So1  
32/MkuY^u  
2E)wpgUc?e  
JAQb{KefdO  
规格：柱形抛物面反射镜 S/ODqL|  
                         %Ntcvp)  
 有抛物面曲率的圆柱镜 uoX:^'q   
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 \8?Tdx=  
 曲率半径等于焦距的两倍 C0}IE,]  
v,4pp@8rv  
RWgNo#<  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） EioB%f3  
PE
uIWXr  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 n3D;"
a3  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） hR Ue<0o:  
 离轴角决定了截切区域 2gq9k}38  
|,!
IZ- th  
规格：参数概述（12° x 46°光束） lJis~JLd`  
ZGYr$C~  
   EodQ*{l  
2L} SJUk*  
光束整形装置的光路图 i-6F:\;  
2|}+T6_q  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 h >s!K9  
 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。 -Ty*aov  
X  .5aMm  
反射光束整形系统的3D视图 ~R26  
_q{c##Kf  
jg\Z;_!W  
W^]3XJP  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 viMzR(JU  
 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）。 I$0)Px%z  
^k#P5oV  
详述案例 7|[mz> "d  
:X]itTrGs  
模拟和结果 JaL%qco  
.sj^{kGE  
结果：3D系统光线扫描分析 6w(6}m.L^  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 3YFU*f,  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 nY`RRC  
"G@g" gP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd e^[H[d.WMC  
iCcB@GlA  
使用参数耦合来设置系统 X7i/fm
{l'  
}C>{uXv  
0 SNIYkGE  
自由参数： AbYqf%~7`l  
 反射镜1后y方向的光束半径 jr!?v<NoX  
 反射镜2后的光束半径 \,7}mdQSv  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ykX/9y+-s  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 *]VFvh  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 [
.S#rGYk  
(3#Cl 1]f  
fmiz,$O4?  
##V5-ZG{:  
x\s|n{  
N0=ac5  
!cAyTl(_  
自由参数： %d(^d  
 反射镜1后y方向的光束半径 c(n&A~*AJ%  
 反射镜2后的光束半径 u(wGl_  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） [h34d5'w  
 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。 /U"CO8Da  
PV4(hj  
TT4./R:  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 L.1_(3NG  
( 2n>A D_  
d\61;C  
结果：使用GFT+进行光束整形 u*tN)f3  
C~N/A73gF  
"Za>ZRR  
MF'$~gxo  
}c`fW&  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 0\@dYPa&C  
(h5'9r  
<Gt2(;  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 1I<rXY(a`  
-sjd&)~S[  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 /~Z?27F6@  
'&gF>  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： n;$5Cq!v=  
W'.s\e?gh  
}f8Uc+  
J]G?Rc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd A%D7bQ
 
w - Pk7I  
结果：评估光束参数 -Gw$#!  
PG_0\'X)/w  
-R%<.]fJ  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 L\&<sy"H  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 %9M~f*  
j^;I3_P  
N#Zhxu,g!  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 y6IXdW  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） -#2)?NkeE  
)YX 'N<[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 'C:>UlzLy  
_=NwQu\_F  
光束质量优化 }*ZHgf]~#  
1e>s{  
)Jk0v_ X  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 :bWUuXVtJ  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 Q`rF&)Q5  
t@R ?Rgu3  
结果：光束质量优化 8g:;)u4$P  
;B?DfWX  
$`wMX{  
 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。 L. EiO({W  
~<k,#^"}X  
0\:(ageY?  
tX@_fYb  
 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。） n[]tXrhU  
FRS>KO=3  
\uXcLhXN  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Wt=|  
;w%*M}`5  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 1xbK'i:-S  
ooV3gj4  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ^
B@Wp  
-,+q#F  

AN24Sf'`  
 这意味着参数变化是的正态 ,daKC  
|{@8m9JR  
uFLx  
66'?&Xx'  
+q)5dYRzV  
 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。 RtCkVxaEx  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 >TP7 }u|  
Ma\Gb+>  
dpFVN[\oK  
lr{?"tl_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Z-U-N  
]_8qn'7  
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） L9@&2?k  
hBFP1u/E'  
9{$<0,?  
ylB7*>[  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 sk 2-5S  
%<\6TZr  
总结 c1_5, 1U'  
~O]]N;>72"  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1I*7SkgKv  
1.模拟 ! /NG.Wf  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Y)$ ;Ax-D  
2.研究 *$"gaXI  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 q-rB2  
3.优化 6sE{{,
OGB  
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。 "n: %E  
4.分析 =r.mlc``W  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 \/SQ,*O  
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。 }?@rO`:EF+  
zOSs[[  
参考文献 d)[;e()  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). H> '>3]G  
9XHz-+bQ  
进一步阅读 $F/EJ
>
 
+4,2<\fX  
进一步阅读 0UH*\<R  
 获得入门视频 
Z1h]  
- 介绍光路图 e{A9r@p!  
- 介绍参数运行 RC^9HuR&  
 关于案例的文档 T /mI[*1xI  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens s (0*  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens /c$\X<b);  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing $Y9jrR'w  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair