[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） v8THJf  
\qbEC.-K  
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.?q8T)n82  
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w.Kp[  
简述案例 :5zO!~\  
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系统详情 c+u) C%g  
 光源 >&|/4`HSB  
- 强象散VIS激光二极管 5dLb`Gf  
 元件 Z15b'^)?9  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 5{#ya2  
- 具有高斯振幅调制的光阑 CHM+@lD  
 探测器 N4,!b_1  
- 光线可视化（3D显示） ":Pfi!9Wl  
- 波前差探测 i'0ol^~y6  
- 场分布和相位计算 ^^(4xHN  
- 光束参数（M2值，发散角） B=2f-o  
 模拟/设计 y
/ah<Y0(  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 QsPL^ Ny  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： |R>I#NO5  
 分析和优化整形光束质量 ?E7.x%n7X5  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 .w~zW*M0  

Jz)c|8U  
系统说明 !'%`g,,
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t-w4rXvF   
模拟和设计结果 gx6$:j;  
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数值探测器结果 M{~KT3c  
nL* SNQ_  
+DP{_x)t  
rxAb]~MMp  
"ZFK-jn/  
总结 Y&`nB,'  
n&}ILLc  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6Vc&g  
1.模拟 jiAN8t*P  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ~D\ V!  
2.评估 )WazbT@  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 (:T\<  
3.优化 ?!kPW^gD  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 . vQCX1V(  
4.分析 6}e"$Ee}9  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 fwi(qx1=}  
)~[hf,R5S  
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。 }KwL_\>&f  
fRd^@@,[  
详述案例 [O(8
izv  
DU-&bm  
系统参数 ]Syr{|  
2:l8RH!Y  
案例的内容和目标 gEU|Bx/!=  
>~k"C,6
 
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 QWV12t$v  
m339Y2%=  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 J.QFrIB{]+  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 KPSHBv-#  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 X,8]g.<  
%2D9]L2Up  
模拟任务：反射光束整形设置 mdTCe HX  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 /a!M6:,pX  
~1v5H]T{  
6S#e?>"+  
\P|PAU@,  
UL.x*@o  
%Cz&7qf"  
规格：像散激光光束 7U\GX  
>FabmIcC  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 cRhu]fv()  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 X)
peY  
XNJPf) T  
iFy_D  
]hL`HP  
(}u2) 9  
AsW!GdIN  
规格：柱形抛物面反射镜 :_FnQhzg  
                         (/r l\I  
 有抛物面曲率的圆柱镜
vP{22P  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Ej]:j8^W  
 曲率半径等于焦距的两倍 RHc-kggk!  
hY@rt,! 8  
/RzL,~]  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） `'Af`u\R  
U- UD27  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 V6C*d:  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） m["`Op4  
 离轴角决定了截切区域 eI7FbOze  
`"/s,"c:D  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ,33[/j  
qQu}4Ye>  
   .MzVc42<  
'*~_!lE5  
光束整形装置的光路图 + S^OzCGk  
AUm"^-@x#>  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
q`l%NE  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 8tR(i[L   
1yS[;  
反射光束整形系统的3D视图 o&GS;{Rs  
ur
,!-t(~t  
gua +-##)  
O"$uw  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 LK}Ih@f  
 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）。 H<|ilL'fX  
-.>b7ui  
详述案例 ^}+qd1r  
*oC],4y~D  
模拟和结果 arR9uxP  
R
pAqnDX)  
结果：3D系统光线扫描分析 %MQU&H9[  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 xpWx6  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 G^`IfF-j  
>VQP,J{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *v}8n95*2  
mIK-a{?G  
使用参数耦合来设置系统 6QwVgEnSf  
ADTx _tE  
Nq`@ >Ml  
自由参数： PgeC\#;9  
 反射镜1后y方向的光束半径 "0Wi-52=V  
 反射镜2后的光束半径 eD
h]uKg  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） CWP),]#n  
 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。 EqN<""2  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 JumZ>\'p(  
NtuO&{}i  
-|ho 8alF  
:2'y=t#  
wxa?.  
r\OunGUP  
=6XJr7Ay8u  
自由参数： *Kpk1  
 反射镜1后y方向的光束半径 x)Y?kVw21"  
 反射镜2后的光束半径 S'Hb5C2u  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ne]P-50  
 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。 q&/<~RC*
 
*>lh2sslL  
ZA u=m  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 i`m&X6)\j  
{XHAQ9'  
S(B$[
)(  
结果：使用GFT+进行光束整形 4pvT?s>68  
E[:eMJR  
[~3[Tu( C  
-/x=`S*  
B3+9G,or  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ;Av=/hU  
-B`Nkc  
(i1JDe  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 eb6Ux  
#%4XZ3j#j;  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 YUzx,Y>k  
f9" M^i  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： DFgQ1:6[  
HE;}B!>  

#?OJ9pyG'  
XniPNU  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd v qt#JdPp9  
7U9*-9  
结果：评估光束参数 4YuJ-  
yQT cO^E  
^(j}'p,  
 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。 Xkqq$A4  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 &kR*J<)V  
l}bAwJ?  
>>cb0fH
5  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 J?wCqA  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） y%Q0* _  
</hv{<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ty"|yA  
%Z8'h\|  
光束质量优化 e(=() :4is  
B
\73Vf  
`rLcJcW  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 %ER"Udh  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 *:5S*E&}V  
43VBx<"  
结果：光束质量优化 H;h$k]T  
t)4><22of  
){nOM$W  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 HzMr  
Dhe*)  
&<=?O a  
xekU2u}WE  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 9\zasa  
pjN4)y>0  
&G|^{!p/G  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ( <e q[(  
7es<%H  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 VLfc6:Yg  
g@O H,h/  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 oH,{'S@q  
&o;d  
Mp?Gi7o=  
 这意味着参数变化是的正态 57K\sT4[  
Ki\\yK  
l(y,lK=YP1  
83adnm  
/h7u
E  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 yPd6{% w  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 {>3J96  
AI^!?nJ%'  
9+iz+  
Y#5v5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `53S[8  
h+ms%tNT  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） *mJ\Tzc)  
#z1/VZ  
;u-[%(00S  
Dr)jB*yK  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 A>ve|us$  
]$,3vYBf  
总结 #`ZBA>FLaQ  
b8 E{~z  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 a&Z,~Vp  
1.模拟 G=F_{z\}  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 <])]1r8  
2.研究 8:;]tt  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 .0rTk$B  
3.优化 Sy/
Z}H  
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。 ICEyz| C  
4.分析 mKqXB\<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 aX2N Qq>s  
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。 Hz"FGwd  
vqAEF^HYry  
参考文献 c{IL"B6>  
[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). AHo}K\O?r  
jLA)Y [h  
进一步阅读 #N$\d4q9  
k. NJ+  
进一步阅读 t2iQ[`/?~  
 获得入门视频 gq]
@*C  
- 介绍光路图 RrT`]1".  
- 介绍参数运行 e"%uOuIYX  
 关于案例的文档 i6f42]Jy  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (hBph+  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 1%C EUE  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Ifokg~X~G  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair