[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） QC+K:
jL  
1\'zq;I~  
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 KPcOW#.T  
E 9LKVs}  
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N @24)g?  
简述案例 mDT"%I"4j  
`X06JTqf:  
系统详情 mrgi
eb%  
 光源 O*8.kqlgt  
- 强象散VIS激光二极管 =83FCq"  
 元件 GYq.!d@O  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） k1
5B5
 
- 具有高斯振幅调制的光阑 )@O80uOFh  
 探测器 uGxh}'&  
- 光线可视化（3D显示） zFn-VEJ)  
- 波前差探测 6ofi8(n[  
- 场分布和相位计算 NQx`u"=  
- 光束参数（M2值，发散角） A
D
,  
 模拟/设计 <lBY  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ?Thh7#7LM  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ]N\J~Gm  
 分析和优化整形光束质量 )S;pYVVAl  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 &r)i6{w81  
dP0%<Q|  
系统说明 MY[QYBkn}  
=/J{>S>(i  
sfv{z!mo  
模拟和设计结果 2Bf]#l{z  
rLU+-_  
数值探测器结果 z ]@ Q  
{b<;?Dus^  
9F&s9(=\  
rX-V0  
gg-4ce/  
总结 ,'KQFC   
|V 3AA   
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 V@QWJZ"  
1.模拟 am$-1+iX  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 HFr#Ql>g  
2.评估 U=<d
;2N#  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 YhVV~bvz*  
3.优化 )_vE"ryThA  
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。 PW[NW-S`c  
4.分析 ^WZcM#~TL  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 J(%Jg  
LZ97nvK  
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。 Y_H|Fl^  
k|Hxd^^I  
详述案例 HR/"Nwr  
:2qUel\PEC  
系统参数 $!(J4v=X  
b?p_mQKtZ  
案例的内容和目标 w}OJ2^  
ymIjm0jVh  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 0nh;0Z  
L7_qs+  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ugZ-*e7  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 D
Q<{FN  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `Y
ZK$ -,  
Eagl
7'x  
模拟任务：反射光束整形设置 lcv&/ 
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。 F|eKt/>e  
\Kx@?,  
?f\;z<e|  
!zhg3B#p  
Qj?qWVapA  
$*%ipD}f  
规格：像散激光光束 M!{;:m28X!  

C&&*6E5  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 1YGj^7V)|Z  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 j2UiZLuV  
8IAf9  
R3HfE*;Z  
2WP73:'t  
+w(sDH~kd  
bJ[{[|yEd  
规格：柱形抛物面反射镜 OZ/P@`kN.f  
                         A,tmy',d"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 4`x.d  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 KxEy N(n  
 曲率半径等于焦距的两倍 H%!ED1zpA  
DrG9Kky{  
zyznFiE  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Fp)+>oT  
ileqI/40f  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 's.cwB: #  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） n/ \{}9  
 离轴角决定了截切区域 (&25 8i,  
FmRCTH  
规格：参数概述（12° x 46°光束） _K4Igq  
#~&SkIhBE  
   y>:-6)pv  
IfGmA.O  
光束整形装置的光路图 h  0EpW5  
uxGY/Zf  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 &\3k(j  
 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。 =@98Gl9!  
Orb('Z,-3  
反射光束整形系统的3D视图 c.-/e u^|  
S,K'y?6  
: ryE`EhB  
kRCuc}:SB  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 >dnH  
 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）。 jTo-xP{lC  
 aOS:rC  
详述案例 +=XDNSw  
l?F&I.{J  
模拟和结果 tBtG- X2  
;.=ZwM]C  
结果：3D系统光线扫描分析 =%p%+F@RlW  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。
mA ^[S.!  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 E%R^ kqqr  
q*^Y8s~3I  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd X8F@U ^@  
C'HW`rh.^  
使用参数耦合来设置系统 d)'am 3Q  
NWuJ&+gcO5  
F9hh- "(Z  
自由参数： fl{wF@C6  
 反射镜1后y方向的光束半径 c:  /Wk  
 反射镜2后的光束半径 < ag|
#  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ]K]$FX<f  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ~$#"'Tl4J  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =B}a +0u!  
;Up'+[Vj'C  
9y BENvq  
#Y*?
kTF  
}gk37_}X\I  
 xc%\%8C}  
P@gVzx)M  
自由参数： ^DL}J>
F9G  
 反射镜1后y方向的光束半径 w"s;R8  
 反射镜2后的光束半径 zTDB]z!A  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 8|>$M  
 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。 m).S0  
Uu~7+oaQ  
|}~2=r z  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 V
SJGp`  
OH`| c  
W|IMnK-  
结果：使用GFT+进行光束整形 cC{eu[ XW  
08J[9a0[  
`Yk~2t"V  
].W)eMC*c(  
` ZO#n  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 hT`kma  
e):jQite
 
<eU1E}BDQ  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 .Dn.|A  
:n'$Txf  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 gB4&p
PN  
d~bZOy  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： q^:>sfd  
P`/;3u/P  
J~=bW\^I  
Dj Z;LE>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd  %+\ PN  
hu?Q,[+o  
结果：评估光束参数 ) >_xHc?  
XILB>o.^3  
I r8,=
 
 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。 (0L7Ivg<  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ws"{Y+L  
W62 $ HI  
\Wdl1 =`  
 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。 $uw[X  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） *&WkorByW  
 ]/l"  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd PUt\^ke  
c$Vu/dgx  
光束质量优化 4*k>M+o/C4  
O$Wi=5  
;yfKYN[  
 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。 bW"bkA80  
 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）。 @DiXe[kI  
ZXCq>  
结果：光束质量优化 w_c)iJ  
`pMI@"m  
;^XF;zpg  
 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。 t=,ZR}M1`  
=>?;Iv'Z  
K|i:tHF]@  
n$2IaE;v  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） /_WAF90R?  
U0%T<6*H  
,;3bPjey  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd _?]0b7X  
i D6f/|g  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 '}4z=f`}  
l ga%U~  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 j6!C/UgQ  
:;Lt~:0b~  
NCW<~  
 这意味着参数变化是的正态 6MCLm.L  
s$%t*T2J>  
a0wSXd  
gmdJ8$  
FEC`dSTI  
 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。 /KU9sIE;  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Hw0S/ytY  
z3n273W>6  
ZmLA4<  
;mT|0&o>#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run \d'>Ky;GD  
\ltbiDP2  
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） ^sF/-/ {?U  
B$=oU  
m|') A  
WGmXq.  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 @AB}r1E2  
}3825  
总结 FTF`-}Hz  
:VkuK@Th`  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 G '1K6  
1.模拟 &i(\g7%U  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ?\Bm>p%+  
2.研究 H=/;  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 zIzL7oD  
3.优化 Cs!z3QU  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 pZ`^0#Fo  
4.分析 x?"+Or.h  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 0hNgr'  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 x/S:)z%X  
]|xfKDu  
参考文献 ]>9[}'u  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). .](~dVp%~  
&Z3u(Eb  
进一步阅读 +^6a$ N  
+vr|J:  
进一步阅读 .OM^@V~T  
 获得入门视频 >;K!yI?0  
- 介绍光路图 5i0vli/L  
- 介绍参数运行 E%b*MU  
 关于案例的文档 nk*T x  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ]lqe,>  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ;f!}vo<;  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ,qK'!  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair