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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) O'p7^"M  
    9J1&g(?>-  
    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 F 6SIhf.;  
    [,fMh $t  
    5[;^Em)C  
    n'R 8nn6^  
    简述案例
    CwT52+Jb  
    nhy3E  
    系统详情 "7gHn0e>  
    光源 i1scoxX3\  
    - 强象散VIS激光二极管 .2u%;)S  
     元件 Qs4Jl;Y_  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) yJgnw6>r2  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 zZA I"\;W  
     探测器 J|K~a?&vN  
    - 光线可视化(3D显示) Q}1PPi,  
    - 波前差探测 uT=sDWD :  
    - 场分布和相位计算 jCy2bE  
    - 光束参数(M2值,发散角) ` a@NYi6  
     模拟/设计 H p1cVs  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 B\4SB  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): wCkkfTO  
     分析和优化整形光束质量 0w\gxd~'  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 (I\aGGW  
    'av OQj]`K  
    系统说明 *WOA",gZ  
    J4x1qY)Y&v  
    ;}:"[B3$  
    模拟和设计结果 y/Nvts2!C  
    f)*}L?  
    R*QL6t  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 B-Fu/n  
    $H-s(3vq  
    o6svSS  
    X, J.!:4`  
    =`{!" 6a  
    总结 |~'{ [?a*  
    :p OX,  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 0xH$!?{b  
    1.模拟 _a c_8m  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 %*LdacjZ  
    2.评估 VP|9Cm=Fg  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 jb77uH_  
    3.优化 yzXwxi1#  
    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。 3``$yWWg  
    4.分析 9t;aJFI  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 LkJ3 :3O  
    377$c;4 F  
    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。 A D~\/V&+  
    JTdK\A>l  
    详述案例 .XS rLb?  
    utRvE(IbmV  
    系统参数 7CNEP2}:R  
    NjL,0Bp  
    案例的内容和目标 /&dC?bY  
    |L0s  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ~D 5'O^  
    b8T'DY;~  
    u5%.T0 P  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Lv#DIQ8y  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 {5_*tV<I  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Hn:%(Rg=aW  
    CJ KFNa  
    模拟任务:反射光束整形设置 !*EHr09N7  
    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。 e,8C} 2  
    XKMJsEP sW  
    5Ss=z  
    \'j%q\Bl;  
    #2Mz.=#G  
    t5[{ihv~:  
    规格:像散激光光束 YdIV_&-W  
    5Sk87o1E(d  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 b Kv9F@  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 @;Yb6&I;  
    Zj!S('hSY  
    7 ?/ Fr(\  
    DKYrh-MN  
    =3""D{l  
    GT2;o  
    规格:柱形抛物面反射镜
    c~z{/L  
                             \tU91 VIj  
     有抛物面曲率的圆柱镜 N',]WZ}  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 PK!=3fK4\F  
     曲率半径等于焦距的两倍 Ij/c@#q.  
    P4ot, Q4  
    c tTbvXP  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) ;k!bv|>n  
    "'dt"x)  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 h dPK eqg7  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) +g\u=&< 6  
     离轴角决定了截切区域 3E:wyf)i"  
    p}O@ %*p .  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) T? _$  
    3|g'1X}  
       (F~eknJ  
    c :hOQZ  
    光束整形装置的光路图 1%EIP -z  
    ?OlYJ/!z3  
    pO GVD  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 NCl$vc;,  
     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。 |OuZaCJG  
    Xpjk2[,  
    反射光束整形系统的3D视图 ub./U@ 1  
    Qx'a+kLu9  
    fHR1ku y  
    BX2&tQSp  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 >"N\ZC^  
     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)。 }=;N3Q" #y  
    5|&Sg}_  
    详述案例 *+lnAxRa?  
    6HFA2~A  
    模拟和结果 ${0Xq k  
    pA"pt~6  
    结果:3D系统光线扫描分析 B5P++aQ  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 ~\Fde^1  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 |]Pigi7y-  
    U/wY;7{)#  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !5Z?D8dcx  
    p"JITH :G  
    使用参数耦合来设置系统 V=QvwQlZ  
    u;J9aKD  
    &3S;5{7_e  
    自由参数: ;m@>v?zE  
     反射镜1后y方向的光束半径 oI/@w  
     反射镜2后的光束半径 `Nc3I\tCM  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 31<hn+pE &  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 E&GUg/d  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 yV=hi?f-[V  
    _Ev"/ %  
    ;x| 4Tm  
    W^P%k:anK  
    qm@c[b  
    GcHWalm  
    %t:1)]2  
    自由参数: &=K-~!?  
     反射镜1后y方向的光束半径 %U-KQI0  
     反射镜2后的光束半径 ]l}8  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) SDcD(G  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 NJLU +b yU  
    qA Jgz7=c  
    E':y3T@."  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 C  `k^So)  
    =HYMX "s  
    ?gH[tN:=  
    结果:使用GFT+进行光束整形 5 -5qm[.;  
    FV!  
    FzFY2h;n]B  
    &.K=,+0_R/  
    *.n9D  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 HaJD2wvr  
    UOT~L4 G  
    / QSK$ZDC  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Z!^iPB0~D  
    c]t =#  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 aG`G$3_wx  
    O9:vPbn  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: e J2wK3R  
    T1\.~]-msb  
    Bn-%).-ED  
    ?N&"WL^|  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd H:a(&Zb  
    yrE|cH'f0  
    结果:评估光束参数 p+#uPY1#  
    #eR*|W7o  
    yngSD`b_P  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 s:i$s")  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 +8mfq\ Y1  
    &yp_wW-  
    w3fi2B&q  
     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。 i *nNu-g  
     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) =Q[ 5U9  
    L+9a4/q  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 7f~.Qus  
    ^Me__Y  
    光束质量优化 RVlC8uJ;P  
    &NB[:S =  
    CQ"5bnR  
     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。 pV<18CaJ  
     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)。
    '!b1~+PV  
    7z5AI!s_  
    结果:光束质量优化 ` ~VV1  
    yLipuMNV  
    *^}(LoPZ  
     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。 AL3zE=BL  
    s-3vp   
    k 32 Jz.\B  
    ko=vK%E[  
     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。) FJ}/g ?  
    Jd7+~isu~  
    BQ2DQ7q  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd P)7SK&]r;=  
    m7cp0+Peo  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 m80QMosp  
    rcY[jF  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 "b|qyT* Sl  
    ;[uJ~7e3  
    A)/_:  
     这意味着参数变化是的正态 m';:):  
    h/QZcA  
    Go= MG:`  
    _@ev(B  
    !QSL8v@c  
     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。 =M*31>"I0  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 FI Io{ru  
    E&7U |$  
    rMdOE&5G  
    LS?3 >1g  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run [yW0U:m  
    OLXG0@  
    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) r@%-S!$  
    BwEO2a{  
    u?&P6|J&  
    l> W?XH  
    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。 F $^RM3  
    p>Qzz`@e  
    总结 Xt_8=Q  
    sV%<U-X  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 qm{(.b^  
    1.模拟 @_J~zo  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 &&nvv&a  
    2.研究 ~*79rDs{  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 pW2NrBq@w  
    3.优化 !NuiVC]  
    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。 RplLU7  
    4.分析 )R(kXz=M  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ;xS@-</:  
    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。 &z+nNkr?yN  
    $^?Mip  
    参考文献 !9_HZ(W&  
    [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). 7;2j^qPr  
    #.'0DWT \-  
    进一步阅读 ;}@.E@s%'  
    iqreIMWz  
    进一步阅读 iP]KV.e'/C  
     获得入门视频 iVTC"v  
    - 介绍光路图 &)zNu  
    - 介绍参数运行 ;wK;  
     关于案例的文档 ,&e0~  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ZVs]_`(+  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ^ a^bsKW  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing K!Te*?b  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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