[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） F{rC{5@fj  
Rt5pl,Nf  
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 yr?X.Np  
L-9;"]d~|  
(:\L@j  
Spin]V  
简述案例 IZ87Px>zL  
#2"'tHf4  
系统详情 !;P[Y"h@r  
 光源 0A-yQzL|  
- 强象散VIS激光二极管 l/"!}wF  
 元件 <4~SFTWY  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ei"c|/pO  
- 具有高斯振幅调制的光阑 {u-J?(s}  
 探测器 Z  
- 光线可视化（3D显示） %UhLCyC/  
- 波前差探测  wG6Oz2(  
- 场分布和相位计算 kD7'BP/#  
- 光束参数（M2值，发散角） TjI&8#AWBA  
 模拟/设计 '-Oh$hqCx|  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 W39J)~D^@  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Z^=(9:  
 分析和优化整形光束质量 a .?AniB0  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 [:qJ1^UU  
LC$M_Cpw  
系统说明 V?mk*CU  

0AF,} &$  
Z9q4W:jyS  
模拟和设计结果 uH,/S4?X  
s,kY12<7m  
数值探测器结果 W~a
|AU8]C  
_8-T?j**   
ma!C:C9#J  
B9$pG  
f9 :=6  
总结 ~b0l?P*Ff  
vK+!m~kDu  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 G)c+GoK  
1.模拟 XKDX*x G  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 l!W!Gz0to  
2.评估 _MuzD&^qE  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 UEt78eN  
3.优化 -B! a O65^  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 B&<5VjZ\  
4.分析 9_.pLLx  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Xwjm T  
dw!Xt@,[g{  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 i)$
+#N  
5e1oxSU  
详述案例 aBQ@n  
bj0<A  
系统参数 #W l^!)#j?  
,fN <I  
案例的内容和目标 5wE6gRJ  
J><hrZ  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 g& f)WQ(  
}NRt:JC  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 G#@#j]8  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 [eBt Dc*w  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 R
>1oF]w  
#7]>ozKm  
模拟任务：反射光束整形设置 ="f-I9y  
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。 vpOGyvI  
Pth4_]US  
~E_irzOFP  
p_e x  
e%4vvP
p  
~X %cbFom=  
规格：像散激光光束 g>'6"p;  
7;C~>WlU  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 R/Sm  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 wV{j CQ  
:_2:Fh.}3~  
Zy{hYHQ  
SB5qm?pT8<  
o8IqO'  
=knLkbiq7,  
规格：柱形抛物面反射镜 DT6BFx  
                         ~k?
t  
 有抛物面曲率的圆柱镜 2`ERrh^i"  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 )te_ <W  
 曲率半径等于焦距的两倍 @{Fa=".Ch  
u`oJ3mS;  
xG Y!r"[  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） I$)9T^Ra  
SrOv* D3  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 JHVndK4L  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） hp}rCy|01  
 离轴角决定了截切区域 #BS!J&a  
pCa~:q
*85  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 9ao?\]&t  
~x_(v,NW  
   z~v-8aw  
|Xd&aQ  
光束整形装置的光路图 @y0kX<M  
8JW0;H<  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 d~QJ}a  
 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。 wLt0Fq6QG  
Et}%sdS  
反射光束整形系统的3D视图 ^{++h?cS)  
 x}d5Y  
@cm[]]f'l  
>Yv#t.!  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ~EYdEqS)  
 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）。 ]#q$i[Y  
zx"0^r}  
详述案例 gq~`!tW'  
kjQI=:i=  
模拟和结果 tEibxE  
*|0W3uy\Y  
结果：3D系统光线扫描分析 K+yi_n L  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 wjOqCF"  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 6+PP(>em  
{c&9}u$e  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd #SD2b,f  
=umF C[.W  
使用参数耦合来设置系统 E!I4I'  
I4c%>R  
Tm~jYgJ  
自由参数：
(KfdN'vW  
 反射镜1后y方向的光束半径 f\~w!-  
 反射镜2后的光束半径 +ZBj_Vw*|  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） v57Kr ,  
 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。 l?;ReK.r  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 :n x;~f  
*S Z]xrs  
jar?"o  
)MX%DQw  
0nlh0u8#  
tfe'].uT  
%]O#t<D  
自由参数： `WQpGBS_z_  
 反射镜1后y方向的光束半径 BMhuM~?(  
 反射镜2后的光束半径 Ew9MWlk  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \nQEvcH  
 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。 )9!ZkZbv_m  
M49Hm[0(  
q#Ik3 5  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 %g4)f9>  
2TaHWw<A  
YeF'r.Y  
结果：使用GFT+进行光束整形 HlX7A1i/  
hDEZq>&  
$5>x)jr:w+  
9AQ2FD  
/ pR,l5  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 9x9E+DG#(  
uQW d1>  
b55G1w  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 %,)Xi  
8ZO~=e  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 .q$/#hN:e  
KV'-^\  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： @gJPMgF$F  
6K9-n
}z  
]O+Nl5*  
/bqJ6$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd i"hn%u$V  
OL#RkD  
结果：评估光束参数 W@FGU  
'}NH$ KA  
e?-LB  
 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。 :#W>lq@H  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 #DHeEE  
S'vUxOAo  
DRi/<  
 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。 c1_?Z  
 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） gr$H?|n l  
*(<3 oIRS  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd VnMiZAHR  
N" oJ3-~  
光束质量优化 oRCD8b?  
z[_Gg8e  
^kj%Ekt7  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 885 ,3AdA  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 a^&3?3   
y]f| U-f:~  
结果：光束质量优化 Ad`jV_z  
z3-AYQ.H  
~wRozV  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 SkA"MhX  
fBt7#Tc=U  
OAz-w  
#Y<b'7yJ  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ~# |p=Y  
"mkTCR^]e  
:J+GodW  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd t\C[mw  
-n'%MT=Cd  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 doaqHri\,  
@;z}Hk0A  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 gs77")K&  
x;*KRO  
_u`W$EG L  
 这意味着参数变化是的正态 tI(co5 W  
1{S" axSL  
T/C1x9=?  
v<Ux+-  
K<+h/Ok  
 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。 .oo>NS  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 >j$CM:w  
^UK6q2[  
nEm+cHHo?  
RA+k/2]y!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run |bz,cvlP W  
WChJ <[]W  
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） 8~|PZ,oZ  
P1ab2D  
izi=`;=D^  
p(Q5!3C0q  
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。 3J}bI{3  
j7 D\O  
总结 IPnbR)[%  
wy$9QN  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 mko<J0|4  
1.模拟 cf0Dq~G  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 8+1tys  
2.研究 PGHl:4`Es!  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 (v8jVbg  
3.优化 u1&pJLK0[  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 g+k0Fw]!  
4.分析 "tbKKh66  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 PQ|kE`
'  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 FXOA1VEg  
{@oYMO~  
参考文献 PDo%ob\Ym  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). :- ydsR/  
\qqt/  
进一步阅读 x,z+l-y  
?j8F5(HF?  
进一步阅读 |}\et ecB  
 获得入门视频 0>m-J  
- 介绍光路图 ^60BQ{ne  
- 介绍参数运行 VZ;ASA?;  
 关于案例的文档 ,xrXby|R"  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens +)FB[/pXk  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Cv|ya$}a  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing kQ~*iY  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair