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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) 37q@rDm2  
    w]_zp?\^ }  
    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 VN 'Wq7>6  
    WnH UE  
    *1'`"D~  
    i`0v#P  
    简述案例
    =rd|0K"(r  
    8LI-gp\ 2  
    系统详情 :qvI%1cP=  
    光源 `T2$4>!  
    - 强象散VIS激光二极管 0vGyI>  
     元件 s3 ;DG  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) @<@SMK)  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 lg}HGG  
     探测器 9Q!b t  
    - 光线可视化(3D显示) tj*y)28-  
    - 波前差探测 `$604+G  
    - 场分布和相位计算 &(a(W22O  
    - 光束参数(M2值,发散角) TS"D]Txs  
     模拟/设计 ;D.h 65rr  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 a P&D9%5  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): '>k{tPi.  
     分析和优化整形光束质量 @f!AkzI  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 ya -i^i\  
    ==H$zmK  
    系统说明 2`a q**}  
    "{E q hR~  
    +-a&2J;J'  
    模拟和设计结果 J R PSvP\  
    $>R(W=Q  
    Kv{8iAB#c  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 -/D|]qqHm  
    rxO2js  
    }#v{`Sn%^C  
    {S<>&?XB  
     ?W0(|9  
    总结 =6=_/q2  
    1P]de'-`j  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Z?^"\u-  
    1.模拟 [`Cq\mI-W  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 DXQi-+?  
    2.评估 l12$l<x&M  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 jko"MfJ  
    3.优化 cE{ =(OQ  
    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。 6`$[Ini  
    4.分析 (shK  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 oh#> 5cA8  
    [ut#:1h^  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 |c2v%'J2G  
    Gy@7Xf  
    详述案例 }4nT.!5  
    'FzN[% K"  
    系统参数 !]S=z^"<  
    S*)o)34 U  
    案例的内容和目标 i_F$&?)  
    hxC!+ArVe  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 qUf)j\7"Fn  
    |*,jU;NI  
    BN@,/m9OQ%  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 YCw('i(|  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 ]=D5p_A(  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 -)<m S  
    ,fnsE^}.U  
    模拟任务:反射光束整形设置 LQ-6vrbs  
    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。 cCxi{a1uo  
    3AlqBXE"Z<  
    :w?7j_p#  
    ~2/{3m{3A  
    S;A)C`X&  
    gvnj&h.GV  
    规格:像散激光光束 -{9Gagy2&  
    zH'2s-.bi  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 aQcN&UA@  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 <]8^J}8T{D  
    k|O,1  
    Q-zdJt  
    >$ F:*lO  
    +zRh fIJHH  
    E '%lxr  
    规格:柱形抛物面反射镜
    7aQcP  
                             p\U*;'hv  
     有抛物面曲率的圆柱镜 >;i\v7  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 NygI67  
     曲率半径等于焦距的两倍 (L|}`  
    JJl7JwSTW  
    e`sw*m5  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) h39e)%x1  
    \8"QvC]  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 n9 fk,3  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) )&.!3y 660  
     离轴角决定了截切区域 KtMbze  
    3C"_$?y"  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) <pOl[5v]  
    <lOaor c  
       'XTs -=  
    6s,2NeVWa  
    光束整形装置的光路图 ;,0lUcV  
    GOW"o"S  
    d,R6` i  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 [A_r1g&_  
     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。 Ky&KF0  
    9bEM#Hj  
    反射光束整形系统的3D视图 ,QS'$n  
    \Hs|$   
    M5Wl3tZL  
    <bdyAUeFw  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Wg(bD,  
     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)。 &r:m&?!|VQ  
    Qcgu`]7}  
    详述案例 _>v0R'  
    $WNG07]tU  
    模拟和结果 dwp: iM  
    4p x_ZD#J  
    结果:3D系统光线扫描分析 -]QguZE  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 k6J\Kkk(  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 E{gv,cUM  
    {{E jMBg{  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ( 2zeG`  
    `Z8^+AMc  
    使用参数耦合来设置系统 sJ7sjrEp 1  
    i>"dBJh]b  
    .\)k+ R  
    自由参数: !2tw,QM  
     反射镜1后y方向的光束半径 sVcdj|j  
     反射镜2后的光束半径 HZuiVW8  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Bhx<g&|j  
     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。 gV.f*E1C  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 a hwy_\  
    &GU@8  
    7(@(Hm  
    {,F/KL^u  
    (!ZV9S  
    3d@ef |  
    :Q=z=`*2w  
    自由参数: SJOmeN}4)  
     反射镜1后y方向的光束半径 fwH`}<o  
     反射镜2后的光束半径 ;24'f-Eri  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) $vqU|]J`  
     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。 >3+FZ@.iT  
    QxA0I+i  
    bHJoEYY^  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 = uk`pj  
    08O7F  
    blmmm(|~|  
    结果:使用GFT+进行光束整形 rV~T>x  
    ~BtKd*~*  
    Hy;901( %  
    g#Mv&tU  
    k%^<}s@  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 E\_W  
     *0-v!\{  
    W8x[3,gT  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 IyT ?-R  
    Y!;gQeC  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 aSTFcz"  
    H):-! ?:  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 0w'|d@*wV  
    N tO?  
    2@4x"F]U;  
    2 mSD"[%  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd fPOEVmj<  
    ^ ~, ndH{  
    结果:评估光束参数 bSY;[{Kl  
    ?LR"hZ>  
    @Mzz2&(d U  
     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。 Vj/fAHR`>'  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 k3C"  
    erXy>H[;  
    :cEd[Jm9  
     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。 Tt`L(oF  
     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) ^t`f1rGR  
    E3LBPXK  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd =zz+<!!  
    \m%J`{Mt  
    光束质量优化 HRj7n<>L=  
    yB=C5-\F  
    jT{f<P0  
     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。 c1PViko,>  
     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)。
    jk K#e$7  
    =?wMESU  
    结果:光束质量优化 lD9%xCo9(  
    -J{Dxz  
    fVG$8tB  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 -g9^0V`G  
    v'h3CaA9j  
    l_bL,-|E8  
    N?\bBt@  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) (%6(5,   
    zjea4>!A2  
    Ft)t`E'%j  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd mVa?aWpez  
    @k_Jl>X  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 } /[_  
    "3\oQvi.  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 s Ke,  
    Fq vQk  
    1XqIPiXJ  
     这意味着参数变化是的正态 3%_ 4+zd  
    uE"5cq'B/  
    Po'-z<}wS  
    :!(YEF#}  
    N[0 xqQ  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 S&5Q~}{,  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 L[CU  
    AGl|>f)  
    N-X VRuv  
    K5 5} Wi  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run wEBtre7  
    i:V0fBR[>  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) yJF 2  
    os}b?I*K  
    "|(rVj=  
    gsLr=  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ?H y%ULk  
    AF6d#Klog  
    总结 \Y51KB\  
    _=o1?R  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "Q3PC!7X:5  
    1.模拟 NE$VeW+@  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 =''mpIg(  
    2.研究 3DxZ#/!  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 n^* >a  
    3.优化 f@wsS m  
    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。 j5PaSk&o=  
    4.分析 %T`4!:vy  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 >W>##vK  
    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。 /d{glOk  
    cYZwWMzp  
    参考文献 70'} 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). q,<n,0)K  
    zWF 5m )-  
    进一步阅读 AeNyZ[40T  
    WpXODkQL  
    进一步阅读 Py|H? ,6=  
     获得入门视频 Q mb[ e>  
    - 介绍光路图 UiJ^~rn  
    - 介绍参数运行 RY\{=f  
     关于案例的文档 >E//pr)_Km  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens s,1pZT <E  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens @m+pr\h(  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing skk-.9  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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