[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） b]Xc5Dp{  
O%.c%)4Xo  
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 I8C(z1(N  
~al4`:rRx1  
IOx9".  
&cEQ6('H  
简述案例 jF}u%T)HL  
8MH ZWi  
系统详情 VgHVj)ir  
 光源 V9tG2mLf>  
- 强象散VIS激光二极管 J~3+j6?%  
 元件 SW ^F  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） B=mk@gX,G  
- 具有高斯振幅调制的光阑 0Y8Si^T  
 探测器 Vnu*+  
- 光线可视化（3D显示） M7|k"izv  
- 波前差探测 o+o'!)  
- 场分布和相位计算 _%` )cOr  
- 光束参数（M2值，发散角） $y\\?  
 模拟/设计 Dl2`b">u  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 9 -\.|5;:  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： GS%ACk  
 分析和优化整形光束质量 l cHqg  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >8$]g  
.]_ (>^6  
系统说明 h7iI=[_V  
"Cz8nG  
XN@F6
Gj  
模拟和设计结果 p_x@FA(  
Cx.GEY|0  
数值探测器结果 |#p`mc%f~\  
`@$qy&AJ  
Flrpk`4  
@j/UDM  
vR X_}`m8#  
总结 Sz.sX w;  
bG`aF*10)!  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 vN`2KCl~3  
1.模拟 K'6dlwn).  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 E>t5/^c)*w  
2.评估 1'O++j_%y  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 tnv @`xBn  
3.优化 osS?SuQTE  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 .DzFtc  
4.分析 R/&Ev$:  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 9A@/5Z:v5W  
8reis1]2S  
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。 _O76Aw-@l  
a^U)2{A*f  
详述案例 ?Vy%<f$  
n]?KDID;  
系统参数 I\%a<  
f~HC%C YH  
案例的内容和目标 tVB9kxtE  
rHzwSR@}1  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 =0Z^q0.  
|\PI"rW  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 l :e&w(1H  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ID/=YG@  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 0X.(BRI~6p  
O;bnyB$  
模拟任务：反射光束整形设置 sqtMhUQ?>w  
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。 2pKkg>/S  
cPFs K*w  
7Nu.2qE  
5G >{*K/  
g4Y1*`}2f  
]LcCom:]  
规格：像散激光光束 b0QC91   
d) i:-#Q  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 #qx$ p  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 zEHX:-f8  
fD^$ y 8  
F$tshe(  
Rm^3K  
RM\A$.5  
zWN<"[agc  
规格：柱形抛物面反射镜 Yo 0wufbfV  
                         16J"QUuG  
 有抛物面曲率的圆柱镜 >-%tvrS%  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 2.,4b-^  
 曲率半径等于焦距的两倍 A_:CGtv:  
Mj9Mv<io  
O,a1?_m8  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） `#/0q*$  
y'$Re  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 -a=RCzX]  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） w
Fe
?0u  
 离轴角决定了截切区域 \ 5&-U@  
`(2Y%L(r  
规格：参数概述（12° x 46°光束） #N?VbDK9_  
E.Vlz^B  
   <5 ?  
-:$#koW  
光束整形装置的光路图 *VuiEBG  
|TQ#[9C0  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ktA5]f;  
 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。 %1oh+'ES F  
[}mx4i  
反射光束整形系统的3D视图 8zI*<RX.Q  
y-.<iq  
ro%Jg  
Q\QSnMM&]  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 H(A9YxXrZ5  
 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）。 =._V$:a6o  
ZC99/NWN  
详述案例 3i*HwEh  
cF2!By3M  
模拟和结果 hw @)W  
d
-rqZn}  
结果：3D系统光线扫描分析 TJO?BX_9  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 D8rg:,'6  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 99KW("C1F  
'vP"&lrn  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >z"\l  
0XSMby?t`  
使用参数耦合来设置系统 |7$Q'3V  
WA?We7m$  
: Yb_  
自由参数： +{r~-Rn3  
 反射镜1后y方向的光束半径 (i1q".  
 反射镜2后的光束半径 ns&3Dh(IVP  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） l^cz&k=+  
 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。 p=d,kY  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 59l9^<{A  
K_Q-9j  
y0R9[;b07  
~_]i'ii8  
B>kVJK`X  
.',d*H))E7  
GzN /0:b  
自由参数： =mp"=%  
 反射镜1后y方向的光束半径 HYwtGj~5  
 反射镜2后的光束半径 d%~OEq1i"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） i"h~QEE  
 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。 03?7kAI  
W}iDT?Qi  
7%sx["%@  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 o]<@E uG  
j9r%OZw{  
c$n`=NI  
结果：使用GFT+进行光束整形 }v`Z.?|Z  
H?4t\pSS  
Maw$^Tz,  
+UX~TT:  
+=Y$v2BZA3  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -%_vb6u  
3n)\D<f]#  
[KW9J}]  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ,7n8_pU  
= tY%k!R  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 \!Wph5wA  
rNl%I@
G  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ,ieew`  
TNF+yj-|X:  
(v0i]1ly[  
y;VmA#k`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd w?JM;'<AYQ  
y6P-:f/&*  
结果：评估光束参数 WxJV zHtR  
P_F0lO  
p7p6~;P  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 /ptG  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 &`2$,zX#  
{wptOZ  
rebWXz7  
 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。 /y
3Lc.-  
 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） fD#!0^  
\y0]BH  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd o9+fAH`D  
Kwo0%2Onkd  
光束质量优化 Is(ZVI  
4Jk[X>I~  
V`_)H  
 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。 vxk~(3]<)  
 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）。 b" kL)DL1L  
2!nz>K  
结果：光束质量优化 =GL^tAUJ  
n*m"yp  
W0LJXp-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。 +-PFISa<r  
Ih%LKFT  
}UWi[UgA  
blmY=/]  
 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。） /MbWS(RT  
5iZ;7 ?(  
cdv0:+[P  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd t/c)[l hV  
D%h_V>#z  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 yC9~X='D  
%5Zhq>  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 .t
zQ hd>  
;*>':-4  
l*|m(7s  
 这意味着参数变化是的正态 [w}KjV/yi  
8M6Qn7{L  
hEfFMi=a`  
f"d4HZD^  
I8XU '  
 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。 jWGX:XB  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 D)J'xG_<O  
*/ok]kX'  
FK,Jk04on  
VRvX^w0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 1V;
m8)RF  
ZnRE:=  
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） %P`|kP
W1  
~uweBp~O  
Yp6% @c6\  
Q_FL8w9D~8  
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。 (lLCAmK5?  
"/zDcZbL;  
总结 )B5(V5-!|  

; d :i  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1w|u ^[~u\  
1.模拟 c3|/8  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ufXU  
2.研究 F1b~S
;lm  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 5dEek7wnf  
3.优化 <j^"=UN4#  
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。 m^Rf6O^  
4.分析 I#GsEhi  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 d>jRw  
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。 XV0t 8#T2  
'sN (=CQ  
参考文献 -LMO f?  
[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). Yc~c(1VRz  
(#VF>;;L  
进一步阅读 -%g{{'9B  
82~ZPZG  
进一步阅读 m;m4/z3U  
 获得入门视频 Y)9]I6n7  
- 介绍光路图 tCbnB  
- 介绍参数运行 bcE%EQ  
 关于案例的文档 z9P;HGuZ  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
DX4"}w  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens XjV,wsZ=  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing l@nG?l #  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair