[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） H(O|y2  
|+JC'b?,  
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 yMmUOIxk\  
q0['!G%["  
>z%WW&Z'  
YY$Z-u(  
简述案例 2T@?&N^OD  
fQ-IM/z  
系统详情 b`Jsu!?{  
 光源 g706*o)h  
- 强象散VIS激光二极管 glkH??S  
 元件 !/!Fc'A  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） x^cJ~e2  
- 具有高斯振幅调制的光阑 bweAmSs  
 探测器 >svx 8CT  
- 光线可视化（3D显示） Z^%HDB9^  
- 波前差探测 8o).q}>&  
- 场分布和相位计算 YUyYVi7clq  
- 光束参数（M2值，发散角） QF22_D<.}J  
 模拟/设计 L.S/Mv  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 F7]8*
[u  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： jR+kx:+  
 分析和优化整形光束质量 EN,}[^Z  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 7<K=G2_:  
 H =&K_  
系统说明 LY#V)f  
xJFcW+  
;RQ}OCz9}8  
模拟和设计结果 dYlVJ_0Zr  
,E@}=x9p  
数值探测器结果 2r]o>X  
|0X~D}r|J  
"5EL+z3v  
g0
IvcA  
Gq%,'amf  
总结 [l7n"gJ~  
^V]IPGV  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 I SdB5Va  
1.模拟 'e$8 IZm  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 m}>Q#IVZ  
2.评估 D^U?!S&4~  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 m6A\R KJ'  
3.优化 k\g:uIsv$  
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。 QNxxW2+  
4.分析 YTr+"\CkA  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 /*GCuc|  
@Q&k6.{4Z  
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。 Wdga(8t  
O3#eQs  
详述案例 &;<'AF  
mHH>qW{`  
系统参数 'tjqfR  
9g.5:  
案例的内容和目标 YlR9 1LX  
C9,Uwz<!]  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 r8[)Ccv  
sk3AwG;A  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 gg Nvm  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ;Sp/N4+   
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Az:A,;~+,!  
EW+QVu@  
模拟任务：反射光束整形设置 F6>oGmLy  
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+- b(  
@18}'k  
2h)Qz+|7  
ktp<o.f[  
J=HN~B1  
%7?Z|'\  
规格：像散激光光束 Yvu?M8aK!  
Nu'ox. V  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 q0NToVo@  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?0qP6'nWx  
.8;0O M  
cIrc@  
dfZ`M^NU  
7 y$a=+D i  
U~M!T#\s  
规格：柱形抛物面反射镜 ~@T`0W-Py  
                         P?z
aut  
 有抛物面曲率的圆柱镜 
?},RN  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 7<Y aw,G  
 曲率半径等于焦距的两倍 $R:Q R?   
2^f7GP  
=1<v1s|)q  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 5du xW>D  
Q{yjIy/b  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Yb1Q6[!  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） \Pe+]4R-Xo  
 离轴角决定了截切区域 :H+8E5  
bfy=  
规格：参数概述（12° x 46°光束） {kr14l*2  
q1m{G1W n  
   l kyK  
}<*KM)%  
光束整形装置的光路图 Ds#BfP7a  
P]armg%  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 aK7}}  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 usC$NVdm  
z%\&n0  
反射光束整形系统的3D视图 e^$JGh2  
*kEzGgTzoS  
*%E\mu,,c  
E=`/
}2  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 )V&hS5P=S  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 E]=>@EX  
qwO@>wQ}~  
详述案例 g!9|1z  
u(\O@5a  
模拟和结果 qB&Je$_uh  
e+MQmWA'F  
结果：3D系统光线扫描分析 dlIYzO<  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 i4nFjz  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4S[UJ%  
(t@:dW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd v G9>e&Be  
Lj3Pp$h  
使用参数耦合来设置系统 II!~"-WH  
l@ (:Q!Sk  
Y*S:/b~y  
自由参数： 1Kd6tnX  
 反射镜1后y方向的光束半径 PTqia!  
 反射镜2后的光束半径 P+wpX  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0m"Ni:KEf  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 m/I
D3_  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 O%N.;Ve  
AWKJ@&pA9m  
3dSC`K  
SvrUXf  
c*\;!dbP  
KHgn  
F\|4zM  
自由参数： OA(.&5]  
 反射镜1后y方向的光束半径 O?c
U6u;W  
 反射镜2后的光束半径 SD<a#S\o  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ?~!9\dek,  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 >?r
MMR+A  
;_2+Y^Qb  
)nFyHAy-  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 z^z`{B  
I~&9c/&  
_(I6o  
结果：使用GFT+进行光束整形 Hmt2~>FI[  
=0!j"z=  
ODhq `?(N  
#V%98|"  
S(?A3 H  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -a&<Un/  
- l^3>!MAM  
2#r4dr0  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Pg{1'-  
N5h9){Mx  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 a@d 15CN  
>#k-
~|w  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： [uLsM<C  
}m~MN4 l  
f-71`Pyb  
l`i97P?/W  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd e}S+1G6r)  
K,$rG%czX  
结果：评估光束参数 $LFL4Q  
/XEW]/4  
}v4dOGc?  
 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。 H;l_;c`  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 dR
nf  
9 fYNSr  
7t:tS7{}  
 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。 $2?j2}M  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） VqpC@C$  
v{fcQb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd . R/y`:1:W  
UL{J%Ze=~  
光束质量优化 ne/JC(  
0FgF,  
]|+M0:2?  
 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。 L/V^#$  
 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）。 Z>Mv$F"p:  
fyA-*)oHv  
结果：光束质量优化 Zo yO[#  
^}B,0yUu'  
HP1QI/*v  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 G7Sw\wW  
~~Ezt*lH  
q*3keB;X  
gJ'pwSA  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） %dFJ'[jDL  
|#kY_d)10  
"8{A4N1B5  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd *_
o(~5w-K  
voRry6Q;  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 4^F%bXJ)  
%gh#gH  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 <78|~SKAV  
"4)N]Nj  
r~j [Qm"CJ  
 这意味着参数变化是的正态 #e|o"R;/`  
]A'{DKR  
jk03 Hd  
49$<:{~  
`KFEzv  
 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。 7|DG1p9C  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 :Kwu{<rJ!(  
KBmOi  
*;Mi/^pzK  
=GPXuo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Og/aTR<;=  
b-sN#'TDg  
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） &aLTy&8Fv  
6*q1%rs:w  
A iM ukd,  
$Es\ld  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 10Ik_L='  
^w60AqR8  
总结 b0{i +R  
&*=!B9OBI  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ew~Z/ A   
1.模拟 ~oa}gJl:}-  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 6dRhK+|  
2.研究 *c$[U{Px  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 
vW1^  
3.优化 rPaJ<>Kz  
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。 ?e$&=FC0;  
4.分析 p%I'd^}.!  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Hd|[>4Z  
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。 K381B5
_h  
L,[Q/$S8  
参考文献 u
}[ a  
[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). ]#)(D-i  
$r/$aq=K  
进一步阅读 u2 s  
Zv;nY7B  
进一步阅读 4v\HaOk  
 获得入门视频 SK}sf9gTv  
- 介绍光路图 8tx*z"2S  
- 介绍参数运行 bC `<A  
 关于案例的文档 h0tiWHw  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 
~~W.]>f  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens %Jt35j@Ee  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Qr$'Q7  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair