[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） k3B]u.Lo  
=M/($PA  
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 y{uN+QS  
\_zp4Xb2  
!PY.FnZ  
Ru^j~Cj5  
简述案例 @D&}ZV=J  
hQDZ%>  
系统详情 b+ v!3|  
 光源 )3KQ QGi8  
- 强象散VIS激光二极管 nQ^<h
.  
 元件 XnI)s^  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 6):^m{RH^  
- 具有高斯振幅调制的光阑 =L?(mNHT  
 探测器 M%Dv-D
{  
- 光线可视化（3D显示） )o@-h85";  
- 波前差探测 lCMU{)  
- 场分布和相位计算 =M+enSu  
- 光束参数（M2值，发散角） ZQPv@6+oY  
 模拟/设计  } h0 )  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ")ZsY9-P  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： #}{1>g{sXt  
 分析和优化整形光束质量 _;].  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Yy:Q/zwo  
%?[H=v(b  
系统说明 PE-P(T3s[8  
wst)O{4  
i=G.{.  
模拟和设计结果 (VzabO  
Kn<z<>vO  
数值探测器结果 ?
~>#(Q  
JQ.w6aE  
OCVF+D :  
/_G^d1T1?L  
}TS4D={1  
总结 +WP
  
g0B
Jj=  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 SXx2   
1.模拟 fhZD#D  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 1"Z61gXrz  
2.评估 f}1R,N_fC  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 V=,VOw4  
3.优化 L3g}Z1<!$  
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。 z"C+r'39d=  
4.分析 ZiS<vWa3R  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ch%-Cg~%  
!wttKUO?  
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。 s
-He  
1$g]&'  
详述案例 iX{Lc+u3  
['S
Ze0  
系统参数 MQv2C@K9F  
'y?(s+  
案例的内容和目标 u~9gR@e2{  
>dW~o_u'QN  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 xN +j]LC  
W1 qE,%
cx  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 T*%Q s&x;  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ?4U|6|1  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 /k(KA [bS  
d|9B3I*I  
模拟任务：反射光束整形设置 y:N QLL>  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 V.RG=TVS  
Z~VS
Wrw3  
9*+%Qt,{B  
5mD]uB9  
OI9V'W$  
D4x~Vk%H  
规格：像散激光光束 8yH*  
vElVw. P  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 0!c
^pOq6  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 =jX'FNv#  
.I@jt?6X  
fBptjt_  
<xm>_~,w  
YJlpP0;++  
:n:Gr?  
规格：柱形抛物面反射镜 (bIg6_U7\  
                         4&Uq\,nx  
 有抛物面曲率的圆柱镜 z@nJ-*'U8  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 y~JCSzpU  
 曲率半径等于焦距的两倍 ptS1
d$  
N|v3a>;*l  
BTwLx-p9t  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ?t&sT  
i9.~cnk  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Cc?BJ  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） LeA=*+zP[  
 离轴角决定了截切区域 &VIX?UngE  
QeYO)sc`  
规格：参数概述（12° x 46°光束） y;+5cn C  
KB$s7S"=  
   L--  
GUJaeFe  
光束整形装置的光路图 \4RVJ[2  
*[Ld\lRj  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 s}]qlg  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 y`?{2#1H  
Hnv{sND[  
反射光束整形系统的3D视图 18|i{fE;  
"x.|'  
c$)Y$@D  
6t0!a@t  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 }E5oa\1u  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 SCClD6k=V  
gW
o`i  
详述案例 W|K"0ab  
h 7
feZ_  
模拟和结果 aI$D qnF4  
j +j2_\  
结果：3D系统光线扫描分析 o#KGEN
d  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 /P*mF^Y  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 >^#OtFHuT)  
KgtMrT5<q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4WV'\R+m  
03ol!|X"9  
使用参数耦合来设置系统 VJ`c/EVIt  
Vy-EY*r|  
mC P*v-  
自由参数： $]4>;gTL'  
 反射镜1后y方向的光束半径 4J=6A4O5Z  
 反射镜2后的光束半径 PiD%PBmUl  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \#P>k;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。 D];%Ey  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Y}_J@&:  
Ju""i4  
KdT1Nb=  
re9*q 
 
<MgR x9  
D-8NDa(`  
0n25{N  
自由参数：
 (f DA  
 反射镜1后y方向的光束半径 bT|NZ!V  
 反射镜2后的光束半径 9$&+0  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !`8WNY?K  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 yoKl.U"&  
XeD9RMT  
\\80c65-  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 k}-@N;zq  
S/}6AX#F4  
wYtL1D(  
结果：使用GFT+进行光束整形 ,f`435R  
Nf0'>`/  
_qg)^M6  
0MK|spc  
`8Y& KVhu  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 AtRu)v6r  
dmHpF\P5f  
s;'XX}Y  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 #%CbZw@hJ9  
^dB~#A1  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 I^iJ^Z]vx  
yc.Vm[!  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： t+'|&b][Qi  
?CB*MWjd  
7^|oO~x6  
acuch  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd S<
"M5e  
q\Cg2[nn2  
结果：评估光束参数 WvG0hts=[  
8spoDb.S  
;[%_sVIy  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 YQ}xr^VA  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 }mRus<Ax  
kt8P\/~*i  
+Hz});ix<  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 TJ@@kSSbl  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） ("{JNA/  
a!MhxM5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd @OOnO+g  
aC0[OmbG  
光束质量优化 ;D^%)v/i  
VeO$n*O  
]M
AB  
 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。 _@CY_`a  
 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）。 %u\Oj \8U  
70,V>=aJ  
结果：光束质量优化 wD|,G!8E2  
y9d[-j ;w  
6AeX$>k+  
 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。 m,nZrap  
$mvcqn;  
Xz)UH<  
Js7(TFQE  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） OU;R;=/]  
74YMFI  
1{N73]-M:  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd &V5[Zj|]  
?!>B}e&,  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 T"1H%65`V  
*Dr-{\9  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 '>[l1<d!G  
( zQ)EHRD  
v3|-eWet^  
 这意味着参数变化是的正态 sg"J00  
FQdz":5  
nU]n]gd  
O+I\Q?  
USz|Rh  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 9"m
OjL  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 K#bdb  
)%rGD =2~  
,at"Q$)T  
mdxa^#w  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run N6wea]  
6^U8Utx  
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） P3|_RHIb  
q{v:T}Q|A  
Y<('G5A  
b%`^KEvwfo  
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。 X`km\\*  
MhMY"bx8  
总结 _t<&#D~  
+2%ih!  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 z-<091,  
1.模拟 >]N}3J}47g  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ~hi\*W6jg  
2.研究 hE>ux"_2/  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 j)4:*R.Z]  
3.优化 ZH8O%>!  
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?W-vi%  
4.分析 4yhan/zA  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 5\RTy}w3x  
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。 $hexJzX  
kO:|?}Koc  
参考文献 RlH|G  
[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). FEqs4<}E  
R=uzm=&nR  
进一步阅读 C!KxY/*Px  
+X[+SF)!  
进一步阅读 b~;gj^  
 获得入门视频 I&9_F%rX  
- 介绍光路图 F?!P7 zW  
- 介绍参数运行 H&K(,4u^  
 关于案例的文档 S/YT V  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens g)7~vm2/,
 
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens qYD$_a  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing  lJaR,,  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair