[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） AW]\n;f  
7~Y\qJ4b  
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 .XJ'2yKof  
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UMoj9/-  
q+?<cjVg  
简述案例 eZ$7VWG#  
oac)na:O#  
系统详情 'Gy`e-yB  
 光源 ,;$OaJ
FT  
- 强象散VIS激光二极管 F]aoTy  
 元件 3UZd_?JI[^  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） uX_H;,n  
- 具有高斯振幅调制的光阑 5G
z!Bf@!!  
 探测器 M/N8bIC! Q  
- 光线可视化（3D显示） Er;/zxg9p  
- 波前差探测 Vrt$/ d  
- 场分布和相位计算 e"E8BU  
- 光束参数（M2值，发散角） )?F&`+  
 模拟/设计 fiGTI}=P  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 +fP.Ewi  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ;TAj;Tf]H  
 分析和优化整形光束质量 ;4nY{)bD  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 3l{V:x!9@  
QAs)zl0  
系统说明 h `Lr5)B'  
3s6obw$ki  
&jE\D^>ko  
模拟和设计结果 F.[%0b E  
Tagf7tw4  
数值探测器结果 8A>OQR  
L&pR#  
pY31qhoZ.  
nu0pzq\6  
[:8\F#KW  
总结 z`{sD]  
/K:r4Kw  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 4^F[Gp?  
1.模拟 eZ'8JU]  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ,lZ19B?WP  
2.评估 Z-iU7 O  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 PLCm\Oh$l  
3.优化 5vx 4F f  
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。 B)0/kY7c  
4.分析 'S`l[L:.8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 hA7=:LG  
p<5]QV7st  
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。 V*vQNPey  
'RjEdLrI  
详述案例 z|#*c5Y9w  
\Zj%eW!m  
系统参数 E
'08'8y  
G6G Bqp6|  
案例的内容和目标 IWv 9!lW  
yXNr[7  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 .?Eb{W)^br  
L!}!k N:?  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 7HPwlS  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 yGa0/o18!?  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 F9%_@n  
PCT&d)}  
模拟任务：反射光束整形设置 7:4c\C0  
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。 I}
`pY3  
"N+4TfXy  
;hT3N UCA  
,GSiSn  
K9N31'  
0D5Z#iW>1  
规格：像散激光光束 VVJ0?G (?  
CFpBosoFt^  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 iOiFkka  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 "Bd-h|J  
6
H|SiO9  
Phn^0 iF
 
v=k+MvX  
}U}zS@kI  
J!C \R
5\  
规格：柱形抛物面反射镜 RY;V@\pRY+  
                         iv*RE9?^  
 有抛物面曲率的圆柱镜 LUQ.=:mBR  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 8"h;+;  
 曲率半径等于焦距的两倍 V(ELrjB0  
Cy-p1s  
SeHrj&5U  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） +`d92Tz  
Oo|JIr7i  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 A$2 ;Bf  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） [4"(\r\f  
 离轴角决定了截切区域 5{=+
S]  
:<g0Ho?e  
规格：参数概述（12° x 46°光束） RP~nLh3=\  
, z\Qd07u  
   8ZtJvk`  
klKUX/g  
光束整形装置的光路图 ^Gk)aX  
ct\msG }b:  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 %{ BV+&  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 LATizu  
h,\{s_b  
反射光束整形系统的3D视图 An_(L*Qz  
It3k
#A0  
d/ Lz"  
z</C)ObL  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 gP>pbW_  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 4U dk
#  
!Q\*a-C  
详述案例 L} R"1O  
4b<|jVl\  
模拟和结果 M6wH$!zRa  
Q0xGd(\  
结果：3D系统光线扫描分析 `)cI^!  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 )f3A\^  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 .u mqyU~  
j \rGU){  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd (1x8DVXNN  
lITd{E,+r  
使用参数耦合来设置系统 K~#?Y,}O  
zU1D@  
7 7bwYKIn  
自由参数： (?Ko:0+*  
 反射镜1后y方向的光束半径 g=mKTk   
 反射镜2后的光束半径 /)[-5n{  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） i6yA>#^  
 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。 < }K9 50  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 bIm4s  
T;DKDga  
 eFsl  
h GA2.{  
4- QlIIf  
0j8fU7~6S  
EY]H*WJJ  
自由参数： <Y6Vfee,&  
 反射镜1后y方向的光束半径 E^J &?
-  
 反射镜2后的光束半径 d>u^7:  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） y)KIz  
 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。 o|>=<l  
qGq]E`O  
}Rz,}^B  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 n ^9?(a4u  
MR|A_e^x  
i'<hT q4  
结果：使用GFT+进行光束整形 <k[_AlCmsg  
t{UVX%b  
MP}-7UA#K  
W'"hjQ_  
x#E M)Thq  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 QeF:s|[  
r1F5'?NZ(0  
G1it 3^*$  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 l`~
$cK!  
gK~Z Ch  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 rXmrT%7k  
YKUAI+ks  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： lZ5-lf4  
+o3n%( ^~  
E 1`g8Hk'  
m\*ca3$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8;`B3N7  
r;b`@ .  
结果：评估光束参数 \>4>sCC  
(]sm9PO  
<zY#qFQ2  
 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。 )J]NBE:8  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 c|:E
MYS  
/Q W^v;^  
Vel(+HS  
 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。 fFVQu\  
 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） 7h(  
cq]0|\Vz  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd E9k%:&]vd  
KUPQ6v }  
光束质量优化 m!zvt   
wY8Vc"  
p]X+#I<  
 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。 Uf_mwEE  
 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）。 C%z9Q  
z1tD2jL_  
结果：光束质量优化 ~
BTm6*'h  
p\I3fI0i  
!p ~.Y+  
 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。 [ s/j?/9  
OWfB8*4@  
x$Wtkb0<  
)w}'kih  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） V@LBy1z  
>g+Y//Z  
I_Z?'M  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd rv)Eg
53Q  
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Zd  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ve a$G~[%6  
[GM!@
6U  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 s(5(zcBK  
f7 ew<c\  
8>|4iT  
 这意味着参数变化是的正态 Eb5>c/(  
$h8?7:z;um  
9JMf T]  
Pvv7|AV   
`{yD\qDyX  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 W#d'SL#5  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Z@m5hx&  
U1yspHiZ  
"a _S7K  
dhg($m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run we}5'bS>  
^755LW  
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） ELG{xN=o  
t ~]' {[F  
)g&nI<Mh  
[$>@f{:  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 &B+_#V=X@  
DjZTr}%q  
总结 >)[W7h  
1)xj 'n  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 b V_<5PHP  
1.模拟 ok-q9dM  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 _=[pW2p  
2.研究 0ly6  |:  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 2nFr?Y3g,  
3.优化 e=tM=i"  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 &"1_n]JO  
4.分析 <X5V]f  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 fA V.Mj-  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 EN>a^B+!  
su60j^e*  
参考文献 m,4'@jg0  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). M.$=tuUL  
\WUCm.w6\%  
进一步阅读 {j[*:l0Ui  
#5{lOeN  
进一步阅读 ldKLTO*&  
 获得入门视频 ARJtE@s6Y  
- 介绍光路图 =(<7o_gJ  
- 介绍参数运行 UBuG12U4Y  
 关于案例的文档 MqWM!v-M  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens : T4ap_Ycq  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens FGo)]U  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing grd fR`3  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair