[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ^.CX6%  
tTFoS[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 />[6uvy#Q  
%9/)  
IJc#)J.2A  
s~$4bN>LD  
简述案例 j$|C/E5?  
>1U@NK)HfY  
系统详情 -b)zira  
 光源 rgzI  
- 强象散VIS激光二极管 N&ql(#r  
 元件 MJ9SsC1  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） IA`8ie+  
- 具有高斯振幅调制的光阑 /mwr1GU  
 探测器 {}o>nenx\  
- 光线可视化（3D显示） R[9PFMn  
- 波前差探测 ,*Z[P%<9  
- 场分布和相位计算 aaugu.9  
- 光束参数（M2值，发散角） (I[h.\%  
 模拟/设计 bus=LAJt=  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 K2rS[Kdfaq  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 7oe@bS/Z  
 分析和优化整形光束质量 x\hn;i<  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 iB3+KR  
xnQGCw?S&}  
系统说明 gZEA;N:H%<  
^1,Eo2yN  
K}=8:BaUL  
模拟和设计结果 y [9}[NMZ  
\Tf{ui  
数值探测器结果 Zc3:9  
Px7g\[]  
xFm{oJ!]&  
T{H#]BF<E  
lZA>L, \d  
总结 ]t*P5  
.-u
k
  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Rf(x^J{  
1.模拟 ,o>pmaoLs  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 DET!br'z5  
2.评估 'Tf#S@o  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 5-5(`OZ{'  
3.优化 UE,~_hp  
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。 )|h;J4V  
4.分析 BdoC6H  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 T3t~=b>&L  
LB*#  
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。 BQuliX&  
h[|zs>p  
详述案例 h>^jq{yu  
VVQ74b  
系统参数 &iND&>?  
>_0 i=.\  
案例的内容和目标 d[RWkk5  
>,"D9!  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 4=F]`Lql  
&X]=Qpl  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 t1:
S!@  
 之后，研究并优化整形光束的质量。
 TCKI  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 @maZlw1q  
i9@;,4f  
模拟任务：反射光束整形设置 22Y!u00D  
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。 gKs/T'PW  
3dxnh,]&@  
1^60I#Vr@  
ySuLt@X  
>0<KkBH  
bco[L@6G$  
规格：像散激光光束 nT@6g|!  
KXx@ {cv  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 N+C)/EN$  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 wKi}@|0[
@  
C{`^9J-  
LG Y!j_bD  
A1|7(Sow  
l)i&ATvCE  
I_zk'  
规格：柱形抛物面反射镜 fNAo$O4cm  
                         "BLv4s|y7L  
 有抛物面曲率的圆柱镜 RI5g+Du?  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 (N*<\6kr  
 曲率半径等于焦距的两倍 [DotS\p!z  
X@bn??  
_d\u!giy  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） gI^L 9jE7  
clq~ ;hx  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 n?ZL"!$  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） kyRh k\X  
 离轴角决定了截切区域 5D]30
  
 d-ag  
规格：参数概述（12° x 46°光束） }DDVGs[  
R8=I)I-8  
   SLQ\Y%F  
Q{.{#G  
光束整形装置的光路图 .# !'c  
j[m_qohd7  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 "}'8`k+d  
 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。 J8GXI:y  
RV0>-@/x  
反射光束整形系统的3D视图 nJtEUVMt  
QD.zU/F~>  
[]A"]p  
 !fQJL   
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 4T
-,'P{?  
 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）。 C=oM,[ESQ0  
l)tTg+:  
详述案例 fV.A=*1l#  
O8K@&V
p  
模拟和结果 L,Ao.?j  
u(V  
结果：3D系统光线扫描分析 B\=SAi  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 H Z;ZjC*  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4 [R8(U[g  
<mv7HKVg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd zuC58B  
sBP}n.#$  
使用参数耦合来设置系统 |eHwp  
EX`"z(L  
1s{ISWm  
自由参数： [,OJX N-4s  
 反射镜1后y方向的光束半径 ,s1&O`  
 反射镜2后的光束半径 :r1;}hIA9  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Ujce |>Wn  
 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。 L# `lQ"`K  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 D+@-XU<Lp<  
w)45SZ.  
+R|U4`12  
$q Zc!Qc  
8q]J;T
  
ksB  
]]el|  
自由参数： 1a7!4)\  
 反射镜1后y方向的光束半径 e$CePLEj  
 反射镜2后的光束半径 hnp`s%e,  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） L8K0^~Mk  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ;;ER"N  
O0@w(L-  
Ze-MAt  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 8|1`Tn}o  
T?W[Z_D  
iLF^%!:X%  
结果：使用GFT+进行光束整形 ~R :<Bw  
PV?]UUc'n<  
w- UKMW9"  
3^!Hl8P7  
uWUR3n  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 J__;.rnk  
}X=87ud  
HH"$#T^-  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 'I&|1I^  
_Ny8j~  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ;(K  
1s Br.+p  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Hl4\M]]/&  
7N>oY$&)  

vT?Q^PTO  
CXTt(-FT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *i`v~>  
]\OWZ{T'j  
结果：评估光束参数 !tI=`
Ml[  
A
^pu  
|</"
N-#S  
 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。 GP*
 +  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 D,k(~  
I[ai:   
HeCcF+  
 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。 :v`o6x8  
 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） =K:(&6f<t  
+L0J_.5%^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd [#0Yt/G  
+)gGs#2X  
光束质量优化 tG/1p

W  
T'8RkDI}-  
O7v]p  
 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。 qtHfz"p  
 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）。 opdu=i=E  
_().t5<  
结果：光束质量优化 Yb}w;F8(  
S."7+g7Ar  
On4w/L9L5  
 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。 N<(HPE};  
Id%_{),HX  
.!i0_Rv5x  
en>9E.?N  
 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。） 27>a#vCT  
@&5A&(  
VpSEVd:n  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 
*xcP`  
|1"!kA  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 h'l^g%;  
7IW> >RBF  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 =D].`  
>dk9f}7-  
/&h+t^l_Qj  
 这意味着参数变化是的正态 ZW*n /#GUC  
XvskB[\  
L~dC(J)@ZI  
a=+T95ulDy  
< A?<N?%o  
 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。 J3G7zu8  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Wt J{  
t8&q9$  
t[EfOQ  
!9r:
&n.\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run /BpxKh2p  
0KAj]5nvb  
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） 55-D\n<  
iITp**l  
DZe}y^F  
BDe]18X  
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。 A62<]R)n  
%9o+zg? RJ  
总结 t\r:E2 O  
.#fPw_i  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <C<`J{X0  
1.模拟 $D'^t(  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 wGJjA
=C  
2.研究 |)o#|Qo  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 RH(V^09[o  
3.优化 =Ikg.jYq&F  
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。 f-g1[!"F  
4.分析 R#(G%66   
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 @T&t.|`  
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。 iePf ]O*  
xNpg{cQ=  
参考文献 lJ{V
  
[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). 1pP1d%  
>t3'_cBC!  
进一步阅读 #U=;T]!'$  
j7 d:v7+_  
进一步阅读 59*M"1['Q  
 获得入门视频 <\@1Zz@ms  
- 介绍光路图 M3pjXc<O  
- 介绍参数运行 ^bUxLa[.  
 关于案例的文档 '{f=hE_/  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens '#Dg8/r!  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens w#(RW7":F  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing a3@w|KLt  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair