[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） &Hz{  
}I}/e v  
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 KU]co4]8^s  
!sknO53`H`  
,=_)tX^  
fAEgrw%Ti
 
简述案例  3o_)x  

@euH[<  
系统详情 V/.Na(C~  
 光源 _sp,,gz  
- 强象散VIS激光二极管 vl`Qz"Xy  
 元件 }na0  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） h.Y&_=Gc  
- 具有高斯振幅调制的光阑 M&QzsVH  
 探测器 xL&evG#  
- 光线可视化（3D显示） $&25hvK,  
- 波前差探测 [c^!;YBp)  
- 场分布和相位计算 XC(:O(jdA2  
- 光束参数（M2值，发散角） .2Q4
EbM2  
 模拟/设计 t]3> X  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 v9,<2  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： hQeGr2gMq  
 分析和优化整形光束质量 lQS(\}N  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 -gQtw% `x  
N!PPL"5z  
系统说明 1 5heLnei  
<<=.;`(/v  
DX2_}|$!  
模拟和设计结果 ]Cc3}+(s  
m&PB5s\=  
数值探测器结果 zAW+!C.  
C6?({ QB@  
f7lt|.p  
AZ9;6Df  
QkFB\v  
总结 0&~JC>S  
~xa yGk  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7z2Q!0Sz  
1.模拟 ;tJ}*!z W  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 pqCp>BO?O  
2.评估 sck.2-f"  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 HUFm@?  
3.优化 :[:*kbWN-  
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。 2M+}o"g  
4.分析 `@<~VWe5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 \N%L-%^  
]')  
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。 \wKnX]xGf  
B,q)<z6<  
详述案例 zv-9z  
d[\$a4G+  
系统参数 !
b"2]Qv  
pJ3-f k"i  
案例的内容和目标 4wkmgS  
* lJ
kk  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 /HE{8b7n3F  
qOTo p-  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 i*]$_\yl"  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ZBkbr  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 hAV@/oQ  
y]okOEV0  
模拟任务：反射光束整形设置 h3[x ZJO  
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。 [ KDNKK  
}*P?KV (  
[k]3#<sS  
YfstE3BV  
m;JB=MZ=m  
U
L.YDU)  
规格：像散激光光束 ]&?8l:3-G  
qoP/`Y6  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 5^97#;Q;J"  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 kxLWk%V  
|\U5m6q  
)zydD=,bu  
l[6lXR&|  
Sc?q}tt^C  
V6bjVd9|Z  
规格：柱形抛物面反射镜 0iV~MQZ(  
                         %,+&Kl I  
 有抛物面曲率的圆柱镜 z[qi~&7:v  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 1=_Qj}!1  
 曲率半径等于焦距的两倍 Eq=j+ch7  
Ie[DTy  
%l3f .  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） YCq:]  
S"/-)_{  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [NK&s:wMk  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） d/[kky}  
 离轴角决定了截切区域 +xuj]J  
tZY6{,K%4  
规格：参数概述（12° x 46°光束） d5"rCd[  
P}"T3u\N  
   IQWoK"B  
3*E] :l_  
光束整形装置的光路图 3$9V4v@2  
b"nD5r  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。  6lL^/$]  
 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。 &Z(6i}f,Gp  
i}O.,iH  
反射光束整形系统的3D视图 *mkVk7]c  
-6xh  
c=D~hzN  
IN,=v+A  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Y[s}?Xu]w#  
 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）。 Ek60[a  
<rFh93  
详述案例 ovZ!}  
V0G[f}tm'  
模拟和结果 8H,k0~D  
?1**@E0  
结果：3D系统光线扫描分析 :m<#\!?  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ,Fn-SrB:  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 T@Z-;
^aV  
abp\Ih^b  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }tQ^ch;Q  
*=P*b|P"$  
使用参数耦合来设置系统 Fw8b^ew  
\zeuvD  
@p@b6iLpO  
自由参数： z 'V$)U$f  
 反射镜1后y方向的光束半径 dsg-;*%  
 反射镜2后的光束半径 =y=MljEX  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (|pM^+  
 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。 R7A:K]iJ5  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 6#Rco%07zI  
vSY YetL  
%a]Imsm  
(mioKO )?v  
W![~"7?  
M^lP`=sSv  
OlgM7Vrl  
自由参数： !;K zR&  
 反射镜1后y方向的光束半径  ijDXh y  
 反射镜2后的光束半径 /6Kx249Dw  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） m ?*h\NaB  
 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。 !Sl_qL  
&}t8O?!  
=ui3I_*)  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 _M^^0kf  
Z@bSkO<Y  
;0`IFtz  
结果：使用GFT+进行光束整形 y#
= j{  
fYW9Zbov-  
dkeMiLm  
Cu_-QE  
IG:2<G  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 o$Y#C{
wC%  
06?d#{?M1o  
Er -rm  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 r7^v@  
{vT9I4d8  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 >WLHw!I!6  
y.-Kqa~  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： FNw]DJ]  
5hh6;)  
5#y_EpL"  
=\mJ5v"hA  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %m|1LI(  
Hv2[=elc  
结果：评估光束参数 #$]8WSl  
/,~g"y.;,  
yE~D0%Umq  
 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。 dK;ebg9|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 KT17I&:  
7fXJP5j  
-<sW`HpD'  
 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。 VGc.yM)& j  
 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） \#I
Kirf?  
D;*cy<_K8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ,9MNB3  
'ka$@,s:  
光束质量优化 0JKTwLhC  
/`0>U  
'Hs*  
 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。 73nM9  
 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）。 c]i;0j? Dl  
0{XT#H  
结果：光束质量优化 a8gOb6qF/H  
A8o)^T(vJ  
eNO[ikm  
 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。 gdg``U;)p  
z:   
 FsQoQ#*  
)."dqq^ q  
 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。） >&k`NXS|V  
27}7 n  
gf>GK/^HH  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd LFZ*mRiuKE  
/8Z
&Y`G  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 sZ7~AJ  
;*ni%|K
 
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 N1.fV-  
_/u(:  
[_}8Vv&6  
 这意味着参数变化是的正态 G}LV"
0?  
0cVxP)J+  
e}P@7e h  
RKM5FXX  
VDZOJM)(  
 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。 fL
("MDt  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 |n^rI\p%  
3g5r}Ug  
ruyQ}b:zS  
n,LM"N:   
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `M(st%@n  
NFC/4  
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） -@Urq>^v T  
u^#e7u  
q~Al[`K  
Le{.B@2-"  
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。 B !wr}]  
K4+|K:e  
总结 !H<%X~|,  
Rha|Rk~  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 `%EcQ}Nr  
1.模拟 #K/JU{"  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ledr[)  
2.研究 tkkh<5{C   
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 4tx6h<L#s  
3.优化 K V  
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。 #0\* 86  
4.分析 JfK4|{@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 }' sW[?ik  
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。 N9y+Psh  
n3qRt  
参考文献 wZW\r!Us  
[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). qZ +K4H  
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Gz-  
进一步阅读 rkR~%U6V  
k g Rys  
进一步阅读 jzZ
]+'t  
 获得入门视频 N8x.D-=gG  
- 介绍光路图 NV@$\<  
- 介绍参数运行 (<-m|H};  
 关于案例的文档  M%W#0  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens wO`G_!W9  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens .+<Ka0  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing xU6dRjYhH9  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair