[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） g+9v$[!  
g9qC{xd  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 Q>IH``1*e  
6{7 3p@  
gUGOHd(A  
-]QguZE  
简述案例 !~d'{sy6  
E{gv,cUM  
系统详情 {{E jMBg{  
 光源 3G&0Ciet  
- 强象散VIS激光二极管 `Z8^+AMc  
 元件 vpa
fru4  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） t{=i=K3  
- 具有高斯振幅调制的光阑 O3+)qb!X  
 探测器 P/`m3aSzX.  
- 光线可视化（3D显示）  0dh#/  
- 波前差探测 M,JA;a, _  
- 场分布和相位计算 leIy|K>\m  
- 光束参数（M2值，发散角） SW;HjQ>V  
 模拟/设计 "<*nZ~nE)  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 L"^.0*X/d  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： n7+a
M@G  
 分析和优化整形光束质量 <p)Z/  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 g9|qbKQ:[  
w^U}|h"  
系统说明
6s5b$x  
zS?n>ElI  
GY7s  
模拟和设计结果 j Ii[  
0T1ko,C!,e  
数值探测器结果 \2Xx%SX  
I)rGOda{  
1XGG.+D  
u&tFb]1@)  
~BtKd*~*  
总结 Hy;901( %  
g#Mv&tU  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 k%^<}s@  
1.模拟 E\_
W  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。  *0-v!\{  
2.评估 W8x[3,gT  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 &8waih(|  
3.优化 . Jb?]n  
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。 s1Okoxh/!V  
4.分析 _l<|1nH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 0w'|d@*wV  
N tO?  
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。 D-~G|8g  
AX8gij  
详述案例 srsK:%`  
:;q>31:h  
系统参数 zfir
b  
|@+8]dy:l  
案例的内容和目标 Ou? r {$(b  
6{ C Fe|XN  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 3y/1!A3  
V8\$`NEP  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 QTeFR&q8  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 mZ~mf->%  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 )&XnM69~b  
r7RU"H:j8  
模拟任务：反射光束整形设置 db<q-u  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 g%X&f_@  
WBy[m ?d  
v;Swo("  
Lr wINVa  
XynU/Go,  
~Vwk:
+):  
规格：像散激光光束 Gee~>:_Q{J  
"$]ls9-%n  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 T.J`S(oI  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 2rF?Q?$,B  
Sy4 mZ}:  
^@M[t<  
`}[VwQ  
p}96uaC1  
4U}zJP(L  
规格：柱形抛物面反射镜 O>nK,.  
                         lj4%(rB=  
 有抛物面曲率的圆柱镜 *Yj~]E0`1  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 nt drXg  
 曲率半径等于焦距的两倍 Qk+=znJ  
5?Uo&e  
w'!ECm>*`  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） -)4uYK*  
iJ,M-GHK  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 -,FK{[h]ka  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 79

TPg  
 离轴角决定了截切区域 }Q!h ov  
>g>f;\mD7$  
规格：参数概述（12° x 46°光束） y>>vGU;  
P4hZB_.=  
   :0WkxEY9  
\s.1R/TyD  
光束整形装置的光路图 0[V&8\S~'T  
z\e>DdS  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 IRlN++I!  
 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。 1P(%9
 
wCV>F-  
反射光束整形系统的3D视图 UN-T^  
o9_(DJ<{  
$?[1#%  
TTeAa  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 X!,#'&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）。 30A`\+^f  
7k'=Fm6za  
详述案例 O3_D~O ."  
0|.7Kz^  
模拟和结果 Aqa6R+c  
A)hq0FPp  
结果：3D系统光线扫描分析 C$$"{FfgU"  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 6.7
`0v?,n  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \Pw8wayr%  
tn"Y9 k|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd H @_eFlT t  
M,.b`1-w  
使用参数耦合来设置系统 "}S9`-Wd|  
AeNyZ[40T  
WpXODkQL  
自由参数： Py|H? ,6=  
 反射镜1后y方向的光束半径 Q mb[ e>  
 反射镜2后的光束半径 UiJ^~rn  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） RY\{=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。 >E//pr)_Km  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 s,1pZT <E  
@m
+pr\h(  
j~+[uzW98  
S 23S.]r  
JK@izI  
/W"Bf  
0MwG}|RC  
自由参数： mr:kn0  
 反射镜1后y方向的光束半径 8vz_~p9%j  
 反射镜2后的光束半径 GOv92$e  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） w o-O_uZB  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 qWRNHUd  
K!IF?iell  
B'G*y2UnG  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 "wT~$I"  
Ov$N"  
(t]lP/  
结果：使用GFT+进行光束整形 uvu**s  
](B&l{V  
m&Y;
/kr  
Nb^
zkg  
h]J&A  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 {ED(O-W  
*=-__|t  
rK(x4]I l"  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 2+T8Y,g  
s,UN'~e1  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 &+E'1h10  
f_i"/xC-/  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
BiHiVhD_  
&rl]$Mtt  
{Y3_I\H8{  
xJ[k#?T'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd m wRLzN  
Pe+ 8~0o=R  
结果：评估光束参数 CX&yjT6`  
nLFx/5sL  
*j_fG$10g  
 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。 BNL8hK`D  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 yNhscAMNn  
`}k&HRn  
f>\bUmk(  
 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。 %!ER@&1f&  
 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） E6k?+i w  
M5cOz|j/*R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd RvyBg:Aj5  
\p>]G[g  
光束质量优化 7"a`-]Ap  
WTV3p,;6a  
Vq .!(x  
 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。 *!r\GGb  
 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）。 o@<6TlZM  
v GR \GFm  
结果：光束质量优化 h9Tf@]W   
5o
T2)yz  
=E{{/%u{{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。 BDRYip[Sa  
|g?/~%7  
n3l"L|W^(<  
<\}Y@g8  
 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。） $+lz<~R  
N#pl mPrZ  
b2}QoJ@`  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd }l]3m=)  
TzevC$m;z  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 6PzN>+t^y  
:{wsd$Qlj  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 @Q$/eL  
9?g]qy,1)  
"x:)$@  
 这意味着参数变化是的正态 -KIVnV=&m  

j^aQ>(t(9  
a!0?L0_W&  
#5ohmp,u  
skR,M=F~  
 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。 G>q{~HE1  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 282+1X  
{0)WS}&  
-hG 9  
HjUw[Yz+6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run j;AzkReb  
<PfPh~  
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） nIT^'  
FQ9csUjpB  
t'=~"?T/o  
8)-t91hkL  
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。 G7/?hky 0.  
"
#\bQf}  
总结 @KW+?maW  
"f&i 251  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !7ZfT?&  
1.模拟 tRUsZl  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 hBfzU\*0H  
2.研究 8Snq75Q<   
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 (!>g8=`"  
3.优化 eX l%Qs#Y  
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<> YYeY  
4.分析 {Jw<<<G  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 QzFv;  
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。 g]iy-
,e  

:WfB!4%!  
参考文献 UwL"%0u  
[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). LHHDt<+B  
E?m#S  
进一步阅读 Cj4b]*Q,  
vU$O{|J
 
进一步阅读 ' ! UF&  
 获得入门视频 i3kI2\bd/  
- 介绍光路图 <E}]t,'3  
- 介绍参数运行 @'<j!CqQ o  
 关于案例的文档 h4B#T'b  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens C(t6;&H  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 7].IT(  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 2$i 0yPv  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair