[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 0Ad~!Y+1  
Jo3(bl%u  
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 -z0{\=@#m  
^A[`N
YK  
~snF20  
G\+nWvV7  
简述案例 "-n%874IT  
EO&ACG  
系统详情 H~|%vjH  
 光源 |NU0tct^  
- 强象散VIS激光二极管 eAsX?iaH  
 元件 bfJ`}xl
(8  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） GD[
ou.C}k  
- 具有高斯振幅调制的光阑 E^ok`wfO  
 探测器 N+M&d3H`  
- 光线可视化（3D显示） :pDY  
- 波前差探测 `MsYgd  
- 场分布和相位计算 a
*':W%7  
- 光束参数（M2值，发散角） "b>KUzuYT  
 模拟/设计 Nr24[e G>d  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 T]6c9_  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： [9O~$! <%  
 分析和优化整形光束质量 nheU~jb  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ,=Nw(GI  
9*|3E"Vr  
系统说明 !p,hy`  
5Y Q  
H_?B{We  
模拟和设计结果 @mx$sNDkL  
D*cyFAF  
数值探测器结果 tP`G]BCbt  
}@14E-N=  
'q92E(  
u\XkXS`  
lU$4NUwM  
总结 gr>o E#7  
M%&A.j[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +`*qlP;  
1.模拟 4Oy.,MDQP  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 =zm0w~']E!  
2.评估 \- =^]]b=  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 *`ZB+ \*  
3.优化 'B3Wza.  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 S,9NUt  
4.分析 {?*<B=c  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 2;4]PRD6w  
Jq$_=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。 rX33s  
FgWkcV6B  
详述案例 vm\wO._  
DD!MGf/  
系统参数 *BLe3dok(  
x}?DkFuxb  
案例的内容和目标 ;%u_ ;,((  
"{A*(.  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 o
)%-l4S  
"x(>Sj\%I  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 kmlG3hOR,  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ]C16y. ~e  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 rQ~\~g[tP  
JF~1'"_f:  
模拟任务：反射光束整形设置 sI&i{D  
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。 ~u /aOd  
`DLp<_z>  
7/H^<%;y  
CmEpir{}(  
iHAU|`'N)  
m'cz5mcD  
规格：像散激光光束 R
x6l|'e  
yoBgr7g
S  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ;,1=zhKU.  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
j G-  
2+?T66 g  
Fe!D%p Qv  
#zON_[+s9  
{=3J/)='  
t})
lr\  
规格：柱形抛物面反射镜 n*4lz^LR  
                         NO-k-  
 有抛物面曲率的圆柱镜 LHh5 v"zjG  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 {<qF}i:V  
 曲率半径等于焦距的两倍 {5^K Xj$B  
nX0HT )}  
1T ( u  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） fUC9-?(K  
G&q'#3ieC  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 8b|OXWl  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ?4XnEDAm  
 离轴角决定了截切区域 2w+U$6e C  
qG<7hr@x]  
规格：参数概述（12° x 46°光束） l)4O .*  
vr=~M?  
   |% z^N*  
!p9)CjQ"  
光束整形装置的光路图 *LANGQ"2(i  
~+yZfOcw  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 5
%*w<6<_z  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 @@I7$*  
<,"4k&0Q>V  
反射光束整形系统的3D视图 zh\p  
M=OCzgj  
{
7*>Cv}  
E<tK4?i"  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 f-Jbs`(+  
 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）。 `vd= ec  
<$%X<sDkq  
详述案例 ! QM.P t7c  
DAfyK?
+UL  
模拟和结果 MJ`N,E[  
^$v3
eKA  
结果：3D系统光线扫描分析 n]Zk;%yL  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 e,>%Z@92(  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 k.<3HU  
y<pnp?x4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd "-31'R-  
QT! 4[,4  
使用参数耦合来设置系统 ]1D%zKY%$Z  
(D<(6?  
`s|]"'rX  
自由参数： &?0:v`4Y  
 反射镜1后y方向的光束半径 *wuqa)q2  
 反射镜2后的光束半径 F>zl9Vi<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） O~!T3APGU  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 #`(WUn0H?  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 'fx UV<K&  
!d,
8kG  
>@_im6  
.f:n\eT):  
<F;v`h|+S  
'$G"[ljr  
20b<68h$:  
自由参数： 0V$k7H$Z  
 反射镜1后y方向的光束半径 BecPT  
 反射镜2后的光束半径 LJFG0
 W  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） W#'c5:m 4  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 MZ
V_5i@:  
!ErH~<f%K  
)?=YT  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 b0v:12q  
T f4tj!t-  
>(r{7Qg  
结果：使用GFT+进行光束整形 JTU#vq:TY  
*T`-|H*6@  
S?ujRp  
q5x[~]?  
7 <9yH:1  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 l[Q:}y  
+k\Uf*wh  
4dawg8K`9  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 1PH:\0}  
<eN_1NTH_  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 oVvc?P  
r%@Lej5+  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： "{D6J809  
\Q~8?p+  
m2~&#c\  
Yd EptAI  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .zg8i_  
Cx<0 H  
结果：评估光束参数 N8to
xRu  
[AU II*:}  
NVKC'==0  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 }t9.N`xu  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 L<
^j"!0  
^y!;xc$(Qs  
*N'K/36;  
 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。 ;0rGiWC#  
 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） T9W`?A  
=GlVccc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd H}hFFI)#Oo  
#:jb*d?  
光束质量优化 <"N_j]wD  
/X"/ha!=&D  
aNcd` $0  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 r3E!dTDWq  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 Fm\"{)
V:b  
+4;uF]T  
结果：光束质量优化 &QRE"_g  
c'uhK8|  
`Z:R Ce^  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 T>TWU:  
[x=jH>Y  
~h}Fi  
~5Pb&+<$  
 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。） U,#yqER'r  
j/=iMq  
dr)YzOvba  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd A?_=K  
S/|,u`g-  
反射镜方向的蒙特卡洛公差
NBl+_/2'w  
k@zy  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 oSiMpQu08  
Lbe\@S  
&'cL%.  
 这意味着参数变化是的正态 X%z }VA  
ojYbR<jn9  
mxor1P#|  
!cKz7?w  
zp\8_U@  
 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。 S$
KFf=0  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 P96pm6H_;  
5T sUQc  
]7-&V-Ct*  
`:N# 'i  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run A-:O`RK  
+"9hWb5  
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） n]8<DX99Q0  
>WY#4  
dJ$"l|$$  
)`^p%k  
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。 [MuEoWrq(}  
OL4z%mDZi  
总结 8XbA'% o  
&-(463  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Kw#so; e  
1.模拟 /cc\fw1+  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。  >S$Z  
2.研究 gV&z2S~"  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 .<kqJ|SVi  
3.优化 'SQG>F Uy  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 hiNEJ_f  
4.分析 l5L.5$N  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 !i=nSqW  
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。 =zwOq(Bh W  

mPq$?gdp  
参考文献 [@yV!#2  
[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). k,euhA/&  
qI^ /"k*5  
进一步阅读 sz9L8f2  
^eW}XRI  
进一步阅读 B"%{i-v>**  
 获得入门视频 qzb<J=F
AU  
- 介绍光路图 @&[T _l  
- 介绍参数运行 0uBl>A7qhn  
 关于案例的文档 JxyB(
 
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens hYawU@R  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens eh"3NRrN  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing DxJX+.9K9  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair