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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) pJC@}z^cw  
    28u)q2s^W|  
    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 bE-{ U/;  
    p$XL|1G*?H  
    P;D)5yP092  
    tN&x6O+@  
    简述案例
    }yup`R  
    zPp?D_t  
    系统详情 NJfI9L  
    光源  )_P|_(  
    - 强象散VIS激光二极管 NPws^  
     元件 MS,J+'2  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) >t|u 8/P  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 e&G!5kz!  
     探测器 `+[e]dH  
    - 光线可视化(3D显示) PN ,pEk|  
    - 波前差探测 sW[8f Z71  
    - 场分布和相位计算 c <8s \2  
    - 光束参数(M2值,发散角) @EZ@X/8{&  
     模拟/设计 1$Rua  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 D2o,K&V  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 1ID0'j$  
     分析和优化整形光束质量 d'~ kf#  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 v\>!J?  
    {VBx;A3*I  
    系统说明 [A?Dx-R;(  
    XK[cbVu  
    MA\"JAP/  
    模拟和设计结果 ~y.{WuUD  
    A`Vz5WB  
    vd Fy}#X  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 \F;V69'  
    z1t YD  
    tMxa:h;/x  
    uGIA4CUm  
    ZUJ !  
    总结 gs)wQgJ[  
    ~^((tT  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 J<h^V+x  
    1.模拟 &kKopJH  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 iaAVGgA9+  
    2.评估 ^&oa\7<'  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 tz&'!n}  
    3.优化 Xx_ v>Jn!  
    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!Gsu$C  
    4.分析 4.|-?qG  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 4 G`7]<  
    g 4,>cqRkq  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 CL{R.OA  
    4fPbwiK j  
    详述案例 +yX\!H"  
    XQAdb"`  
    系统参数 s@^ (1g[w`  
    '@)47]~  
    案例的内容和目标 40}qf}8n t  
    !=j\pu} Z  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ,7:_M> -3g  
    ?I{pv4G:  
    hA1\+r  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 (R)\  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 aBk~/  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 f`w$KVZ1!w  
    1vlRzkd  
    模拟任务:反射光束整形设置 LB}y,-vX>  
    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;KZTH;  
    R/8>^6  
    23XSQHVx  
    E6(OEC%,  
    Afm GA9  
    P$z8TDCH  
    规格:像散激光光束 8 x$BbK  
    >5C|i-HX  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 MNURYA=  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ^E_`M:~  
    ?3bUE\p  
    6x%uWZa'  
    K)5'Jp@  
    C'x?riJ/  
    7kmU/(8  
    规格:柱形抛物面反射镜
    k2Yh?OH  
                             ,H!E :k  
     有抛物面曲率的圆柱镜 w'[lIEP 2$  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 TCAtb('D  
     曲率半径等于焦距的两倍 5:(uD3]  
    p9]008C89  
    *B"p:F7J|  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) v;.7-9c*  
    \tf \fa  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直  # Vz9j  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ;WX)g&19x  
     离轴角决定了截切区域 bqEQP3t^  
    C.I.f9s?R  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) vt0XCUnK  
    [<m1xr4"k  
       ud]O'@G<  
    ,f0|eu>  
    光束整形装置的光路图 g{K*EL <  
    (jYHaTL6Y'  
    \6A-eWIQif  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 6XyhOs%/  
     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。 II$B"-  
    ZuIr=`"j  
    反射光束整形系统的3D视图 +4G]!tV6  
    r7w1~z  
    3|4jS"t{f  
    PveY8[i  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 G+Ft2/+\  
     绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 f0rM 4"1  
     pv<$ o  
    详述案例 O>]I!n`!!A  
    LQ T^1|nq  
    模拟和结果 w"Gci~]bXU  
    < GoUth.#  
    结果:3D系统光线扫描分析 QkbXm[K.Z  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 HGqT"N Jr  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 1} 1.5[4d  
    ?@"F\Bv<h  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &DoYz[q  
    oujg( ^E  
    使用参数耦合来设置系统 QcBuUFf!c  
    H_gY)m  
    m$^Wyk}  
    自由参数: _ ;baZ-  
     反射镜1后y方向的光束半径 5 [{l9  
     反射镜2后的光束半径 r;}%} /IX  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) P|,@En 1!  
     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。 $#R@x.=  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。  + ]I7]  
    #- S%aeB  
    gA 0:qEL\  
    )C^ZzmB  
    .Cq'D.  
    R42+^'af  
    bgD4;)?5b  
    自由参数: %j3XoRex><  
     反射镜1后y方向的光束半径 aLZza"W  
     反射镜2后的光束半径 .Jk[thyU  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) (+SfDL$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-V_J`9"  
    S]_iobWK  
    OV<'v%_&  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 M<h2+0(il  
    3>60_:+Zb  
    +OSF0#bj  
    结果:使用GFT+进行光束整形 [D/q  
    ;+:C  
    sfb)iH|sW  
    Zb> UY8  
    4%k{vo5i  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 #0OW0:Q  
    ft |W  
    nPlg5&E  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 Y3%_IwSJ|  
    Jz"Yb  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 1 Hw%DJ  
    0?@;zTE0  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: B?bdHO:E~  
    D==C"}J  
    l X g.`  
    -8Z;s8ACo  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >;wh0dBe  
    e`]x?t<U4/  
    结果:评估光束参数 pZeJ$3@vk  
    [S Jx\Os  
    <L!9as]w  
     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。 94uAt&&b(  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 BqoGHg4iq  
    EV=/'f[++  
    JU>F&g/|  
     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。 zDakl*  
     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) $, I%g<  
    <c; U 0! m  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd B EN U  
    ^T>P  
    光束质量优化 Hl"^E*9x  
    86 $88`/2  
    5t=7-  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 KE$I!$zO  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    zE,1zBS<  
    Bp:PAy  
    结果:光束质量优化 l%\p  
    2!kb?  
    b8FSVV 7@  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 fYgEiap  
    Ef)v("'w  
    @ zs.M-F  
    Z;'5A2  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) s~i 73Qk/  
    >f\$~cp  
    /#Fz K  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd UlNx5l+k  
    d?6\  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 h/s8".\  
    8wH1x .  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 v#^_|  
    (fqU73  
    (C9{|T+h  
     这意味着参数变化是的正态 k-jlYHsA  
    o;[cApiQ,2  
    R+&{lc  
    ']C" 'b  
    P*!~Z *"  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 ^ }kqAmr  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 VX6M4<8  
    *L{^em#b  
    q;Rhx"x>T  
    p3Z[-2I  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `Lj'2LoER  
    MhDPf]` Gg  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) Xh?J"kjof  
    "2_nN]%u-  
    k*ZYT6Z?  
    0Qr|!B:+9)  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 /Z1>3=G by  
    O*lMIWx  
    总结 VJbn/5+P  
    f\u5=!kjN  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Yu+;vjbK-  
    1.模拟 cv7.=*Kb;  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 /P[@o  
    2.研究 u OB`A-K  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 (nnIRN<}$  
    3.优化 /St d6B*  
    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。 YgLHp/  
    4.分析 y.aeXlc[  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 z{ (c-7*  
    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。 WqRaD=R->;  
    3J}/<&wv  
    参考文献 OrRU$5Lo  
    [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). @$7l  
    92D :!C  
    进一步阅读 c :u2a/Q?  
    T]lVwj  
    进一步阅读 z)fg>?AGr  
     获得入门视频 8,&pX ga  
    - 介绍光路图 _zG[b/:p  
    - 介绍参数运行 OV`#/QL  
     关于案例的文档 oTb4T=  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens {s3j}&  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens }&Ul(HR  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing nV_[40KP_  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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