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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) ,W/Y@ScC  
    4<5*HpW  
    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 o$7UWKW8  
    Bi"cWO  
    Fta=yH }  
    +apn3\_  
    简述案例
    kKDf%=  
    f'qM?GlET  
    系统详情 2n#H%&^?a  
    光源 ]~ S zb  
    - 强象散VIS激光二极管 CwyE  8v  
     元件 :x^e T  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) J@IKXhb7_  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 ?[DVYP  
     探测器 jxYze/I  
    - 光线可视化(3D显示) T$;BZ=_  
    - 波前差探测 /N./l4D1K-  
    - 场分布和相位计算 i~5'bSq c  
    - 光束参数(M2值,发散角) `>lY$EBG@[  
     模拟/设计 T)e Uo  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 mT;   
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): o0dD  
     分析和优化整形光束质量 BgB0   
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 gzlRK^5  
    whGtVx|zR  
    系统说明 +vV?[e  
    ,.;{J|4P  
    9c5DEq  
    模拟和设计结果 6\y?+H1  
    xsvJjs;=  
    KR%NgV+}!0  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 [8 23w.{]#  
    :01B)~^  
    };gcM @]]E  
    "=$uv  
    bJ eF1LjS  
    总结 >yLdrf  
    ;D%H}+Z  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6.|[;>Km  
    1.模拟 3 [O+wVv  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 "K;""]#wg0  
    2.评估 =t|,6Vp  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 \(zUI  
    3.优化 PM QlJ&  
    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。 uOh  
    4.分析 o,$K=#Iv  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 oTTE<Ct [  
    Ac}5,  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 ~Ds3 -#mMy  
    dkQP.Tj$i  
    详述案例 `@So6%3Y|  
    ]v+yeGIKS  
    系统参数 /38XaKc{6  
    UunZ/A$]m  
    案例的内容和目标 .B!  Z0  
    -"x@V7X  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 A yOy&]g  
    8}Q 2!,9Q  
    D23 c/8K  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 SXNde@% {  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 '<6DLtZl  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 QM7B FS;  
    &WS'Me  
    模拟任务:反射光束整形设置 YmHu8H_Q  
    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。 Sj v iH  
    4 lwoTGVZj  
    \Y6r !D9  
    #K/95!)  
    | _nBiHjNn  
    #W4 "^#2  
    规格:像散激光光束 u $D%Iz  
    nUCOHVI7  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 jZiz 0[  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 h" f_T [  
    k/)h@K8@  
    h:KEhj\d?  
    \4O_@d`A  
    vb9C&#  
    %Y9CZRY 9  
    规格:柱形抛物面反射镜
    YhP+{Y8t  
                             .d?LRf  
     有抛物面曲率的圆柱镜 {/qQ=$t  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 OMBH[_  
     曲率半径等于焦距的两倍 !&5*H06  
    ! %N@>[  
     hV fANbs  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) hUEA)c  
    dq0!.gBT2  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 $KP&#;9  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) dZ4c!3'F  
     离轴角决定了截切区域 msQ?V&+<  
    iV!V!0- @  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) -wh  
    '($$-P\/  
       2q*wYuc  
    v4XEp   
    光束整形装置的光路图 }hcY5E-n  
    oqzWL~  
    ,Kt51vGi  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 M(n@ytz  
     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。 L-%'jR  
    NCgKWyRR  
    反射光束整形系统的3D视图 $oPc,zS-gL  
    r;+a%?P  
    2UxmKp[  
    :#D~j]pP  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ZH~Wn#Wp  
     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)。 *Rxn3tR7  
    Mh {>#Gs  
    详述案例 X8wtdd]64  
    +,j6dYub  
    模拟和结果 p6ryUJc6  
    Mq_P'/  
    结果:3D系统光线扫描分析 s'bTP(wl9  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 ncTMcu  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 I1I-,~hO  
    $EzWUt  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd PKQ.gPu6*@  
    <(H<*Xf9  
    使用参数耦合来设置系统 <~S]jtL.j:  
    /U`p|M;  
    hD4>mpk  
    自由参数: n~0MhE0H  
     反射镜1后y方向的光束半径 7k00lKA\w  
     反射镜2后的光束半径 3[8p,wx  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) C>SO d]  
     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'DcNMdw  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 wuM'M<J@  
    _]{LjJ!M  
    l]gW_wUQd  
    Xz9[0;Q  
    &9"Y:),  
    :Gew8G  
    >]o>iOz;]  
    自由参数: wuW{ 2+)B  
     反射镜1后y方向的光束半径 @4]{ZUV  
     反射镜2后的光束半径 d24_,o\_  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) iio-RT?!  
     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。 ?7J::}R  
    qw>vu7/z  
    $\|Q+7lQ  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 4C ;y2`C  
    ZX#60o8  
    lxr;AJ(  
    结果:使用GFT+进行光束整形 L27WDm^)  
    b=U3&CV9  
    6 N:Ps8Hg  
    ).A9>^6?{  
    ayQeT  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 !~vx|_$#  
    %wI)uJ2  
    >Bu9D  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 f^ZhFu?  
    67 ~pn  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 Pn6~66a6  
    Tu5p`p3-j  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: xGOVMo +  
    p1K]m>Y{?  
    ?~(#~3x  
    Xo&\~b#-  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /7fd"U$Lh  
    f re5{=@  
    结果:评估光束参数 /lh1sHgD  
    =Y5m% ,Bq  
    Y*\N{6$2  
     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。 7#NHPn  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 ~*9Ue@  
    I)s_f5'  
    TdT`V f  
     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。 x+;y0`oL  
     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) +l.LwA  
    WglpWp)  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 08D:2 z1z  
    rHk,OC  
    光束质量优化 e9tb]sAG  
    vxLr034  
    z[myf] @  
     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。 C'R6mz%Q?  
     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)。
    1uCF9P ai  
    3HW&\:q5'M  
    结果:光束质量优化 ts}OE  
    ewHs ]V+U  
    #fHnM+  
     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。 $mE3 FJP>  
    *Ms"{+C  
    g_N^Y  
    Li"+`  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) P=6d<no&<  
    :K"~PrHm  
    c))?9H ,e)  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd HtiIg a 7  
    pek=!nZ  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 OP"_I!t  
    W$()W)   
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 ?6{g7S%  
    ?6hd(^  
    YD;d*E%t  
     这意味着参数变化是的正态 0a^bAEP  
    u@`a~  
    h]+;"v6 /  
    (Y8 LyY  
    VJT /9O)Z|  
     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。 >]xW{71F@  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 rpDBKo  
    o 9/,@Ri\5  
    ('UTjV  
    /<IWdy]$3  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run c$^v~lQS  
    W5= j&&|!  
    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) ;1 {=t!z=  
    QKB+mjMH#x  
    *hJWuMfY,  
    UcOP 0_/  
    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。 ~cfXEjE6  
    l>`66~+s,`  
    总结 $u'"C|>8  
    jZPGUoRLg  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 jC>#`gD  
    1.模拟 a0gg<Ml  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ~:o$}`mW  
    2.研究 D}lqd Ja  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 D4|Ajeo;1  
    3.优化 I`rN+c:  
    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。 7aKI=;60.  
    4.分析 wWfj#IB;R  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Z"_8 l3  
    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。 -N wic|  
    VPuR4 p.  
    参考文献 REE .8_  
    [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). <tZZ]Y]  
    DB-79U%W  
    进一步阅读 X&LJ"ahK  
    |N% l at  
    进一步阅读 Xq03o#-p+  
     获得入门视频 58HA*w  
    - 介绍光路图 6w;`A9G[YI  
    - 介绍参数运行 ~%g,Uypi  
     关于案例的文档 'j, ([  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ,=4,eCS  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens njg0MZBqA  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing WysWg7,r  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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