[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） +a$|Sc  
zn)yFnB!TH  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 7[K
CWJ  
v01#>,R  
@`|)Ia<  
SW9fE:v  
简述案例 B?6QMC;  
nQ=aLV+'  
系统详情 Do*n#=  
 光源 !>g:Si"  
- 强象散VIS激光二极管 '4u v3)P  
 元件 (Uk,  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ddDS=OfH  
- 具有高斯振幅调制的光阑
OW`STp!  
 探测器 js <Ww$zFW  
- 光线可视化（3D显示） SUE ~rb  
- 波前差探测 yA;W/I4  
- 场分布和相位计算 }htPTOy5  
- 光束参数（M2值，发散角） ::"E?CQLV  
 模拟/设计  `w<J25  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 KQmZ#W%2m  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： %}b8aG+  
 分析和优化整形光束质量 `# ^0cW  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 {exrwnIZj  
ai^|N.!  
系统说明 )^/0cQcJ  
D:E9!l'  
ngUHkpYS5  
模拟和设计结果 44-r\>  
u\g,.C0  
数值探测器结果  CL3xg)x6  
u%2KwRQ  
mEDpKWBk  
Kf.T\V4%  
P))^vUt~  
总结 Jqfm@Y  
]P1YHw9  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
`}8&E(<  
1.模拟 h?j_Ry  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 y0IK,W'&?  
2.评估 fN[8N$1-  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Yc#IFmC}  
3.优化 #n7Yr,|Z  
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。 TV:<TR  
4.分析 AHd-  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 I>n g`  
wE Qi0!  
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。 X")|Uw8Kl/  
(bm;*2  
详述案例 Y&f\VNlT  
HL8eD^  
系统参数 >.DC!QV  
.v])S}K  
案例的内容和目标 4hAJ!7[A.  
S; /. %
 
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 oXgdLtsu  
>K)2NLW\xA  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 S/gm.?$V  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 DxSsg  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 BIMKsF Zt  
4gZ&^y'  
模拟任务：反射光束整形设置 92[a;a  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 VmvQvQ/9R  
4JMiyiW&  
G|4^_`-  
4Z5#F]OA7  
};katqzEg  
O4|2|sA  
规格：像散激光光束 G0d&@okbFC  
p2 !FcFi  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 1r9f[j~  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 9-lEtl%  
aV|9H  
*e{PxaF!C  
(! KG)!  
q``wt  
5<R%H{3j  
规格：柱形抛物面反射镜 iHBB,x  
                         rAukHeH  
 有抛物面曲率的圆柱镜 gv.6h{Ut  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 s~L</Xvo  
 曲率半径等于焦距的两倍 ,YLF+^w-  
\3zj18(@8!  
,+1m`9}  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） j8$Zv%Ca%  

sC7/9</  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 &m'kI  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） |g&ymFc  
 离轴角决定了截切区域 w*!wQ,o  
C"eXs#A  
规格：参数概述（12° x 46°光束） \8v91g91
f  
E^V|  
   -Zc![cAlO  
Op}ZB:  
光束整形装置的光路图 0D~ Tga)  
M {a #  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 m5c&&v6%"b  
 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。 e 
x?v `9  
k$7Z^~?Fz  
反射光束整形系统的3D视图 lP_db&  
e@]
-D FG  
Af-UScD%G  
TwahR:T  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 nb,2,H  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 `'4)q}bB  
N|Cs=-+  
详述案例 W<,F28jI3v  
w=_Jc8/.  
模拟和结果 }VCI=?-  
2&LQg=O  
结果：3D系统光线扫描分析 vZAv_8S)  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 B(5c9DI`  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 (/{aJV  
 Lc2QXeo8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \=2m7v#E  
9<1F[SS<s9  
使用参数耦合来设置系统 wa09$
4>_w  
iLX_T]1  
R)8s  
自由参数： msx-O=4g  
 反射镜1后y方向的光束半径 F2I 5qC/  
 反射镜2后的光束半径 x~DLW1I  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） PGn);Baq  
 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。 nHOr AD|&  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =t0tK}Y+4  
>t+ qe/  
?A*Kg;IU  
oOU
1{[  
J ++v@4Z  
^rAa"p9  
Ty4S~ClO#'  
自由参数： _F(P*[[&  
 反射镜1后y方向的光束半径 c-1q2y  
 反射镜2后的光束半径 N3A<:%s  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） cu9Qwm  
 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。 M4f;/`w  

J
m{  
Z=z%$l  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 PR7f(NC  
,XKCz ]8V  
G-um`/<%  
结果：使用GFT+进行光束整形 hUpnI@  
b'p4wE>  
+b$S~0n
 
Gpj* V|J  
@E9" Zv-$  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 mqtg[~dNc  
Sr Ca3PA  
U]6&b  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 N;sm*+r  
q3e8#R)l  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 rfcN/:k  
i?@M  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： y*b3&%.ml  
0?Q_@Y  
"
eA
y^,  
P1>AOH2yG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ]c)_&{:V  
b{M7w  
结果：评估光束参数 zU5Hb2a  
O'*@ Ytn  
0Rn+`UnwB  
 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。 "j<bA8$Vw  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 []kN16F  
)
U t5+-UK  
<
Bg8,;  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 AasZuO_I  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） ?*"srE,#JX  
W !}{$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd f2I6!_C!+  
;az5ZsvN D  
光束质量优化 F_3:bX  
njPPztv/@  
^]C&tG0 !  
 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。 !]` #JAL7  
 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）。 -Sv"gLB  
kJ:F *34e=  
结果：光束质量优化 ksR1kvTm  
bO5k6i  
]bdFr/!'S+  
 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。 >ezi3Zx^  
@Yw,nQE)b  
K*-@Q0"KM{  
Y]|:?G7l]  
 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。） '])2k@o@  
8|?LN8rp  
P$GjF-!:  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd &[mZD,  
`Nh"  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 cE'L% Z  
~p0c3*  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 K0pac6]  
wN-i?Ek0;  
{svn=
H /  
 这意味着参数变化是的正态 Bf`9V713  
OFkNl}D  
7%?jL9Vw  
sZgRt  
zSvgKmNY  
 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。 oEz%={f  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 #V02
hs1  
i+3fhV  
Joe_PS  
HmmS(fU  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run EpJ4`{4  
K0+.q?8D|  
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） MTGiAFE  
BKa- k!  
#:x4DvDkR  
-5l6&Y   
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。 ppIbjt6r  
^i)hm  
总结 p{)
5k  
^E`(*J/o  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?YM4b5!3T  
1.模拟 G.'+-v=\]  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 RR;AJ8wd  
2.研究 ~rr 4ok  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 5qUTMT['T  
3.优化 )+")Sz3zx  
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。 ?Ucu#UO
 
4.分析 YT/kC'A  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 y)c5u%(  
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。 "&Dx=Yf  
^&/G|  
参考文献 o'<^LYSnB  
[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). )&{K~i;:  
{4aWR><  
进一步阅读 iJxQB\x  
)QagS.L{z  
进一步阅读 z\ss4  
 获得入门视频 88"Sai  
- 介绍光路图 g @I6$Z  
- 介绍参数运行 U!%!m'  
 关于案例的文档 `cQo0{xK  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens M~*u;v
A/  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens

CRve.e8J  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 9vNkZ-1  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair