[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） x c]#8K  
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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 MML=J~1  
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E>iN>  
简述案例 F+ %l= fs  
K /$-H#;N  
系统详情 DTlId~Dyq  
 光源 GOOm] ]I  
- 强象散VIS激光二极管 H?rCIS0  
 元件 EbG&[v  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ~jzjJ&O&  
- 具有高斯振幅调制的光阑 nH<#MGBS  
 探测器 c\;_jg  
- 光线可视化（3D显示） &["e1ki  
- 波前差探测 '<s54 Cb  
- 场分布和相位计算 /0o#V-E)  
- 光束参数（M2值，发散角） Y,Lx6kU  
 模拟/设计 L2=:Nac  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 aS``fE;O  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Cu!]-c{  
 分析和优化整形光束质量 E\ls- (,  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 R?IRE91 :  
CeeAw_*@  
系统说明
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g^^pPVK_  
%/ctt_p0x  
模拟和设计结果 9s1^hW2%Q  
jweX"G54R  
数值探测器结果 d8iq9AP\o  
53 -Owjpx  
|Sm/s;&c6  
&isKU8n  

P)cEYk  
总结 H~^)^6)^T  
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V[ORGzox  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 `ZbFky{  
1.模拟 )*`h)`\y  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 QYi4A"$`  
2.评估 7WwE] ^M  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 0?}n(f!S  
3.优化 px*1 3"  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ,ga6  
4.分析 6']HmM  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 gJCZ9{Nl  
2v2XU\u{t  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。
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详述案例 VZq~ -$  
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系统参数 uovv">Uw  
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案例的内容和目标
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+VNk#Z i  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 *AYq:n6  
O=;jDWE  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 6i2%EC9  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 U2l3E*O  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 7YR|6{@  
1`YU9?  
模拟任务：反射光束整形设置 JXM]tV  
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。 yIrJaS-  
#fYB4.i~  
t&:L?K)j  
y)U?.@  
b>Y{,`E3  
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规格：像散激光光束 76wNZv)9  
7@ )  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 FY ms]bv  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 8AX_y3$  
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LP=j/qf|  
fT|A^  
W*t] d  
规格：柱形抛物面反射镜 >WIc"y.  
                         Vv45w#w;  
 有抛物面曲率的圆柱镜 mL=d EQ  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 %VH,(}i  
 曲率半径等于焦距的两倍 2lCFE)  
~/]]H;;^u  
o`,~#P|  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） j/z=<jA  
&CQO+Yr$l  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 $[A\i<#  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） TK fN`6  
 离轴角决定了截切区域 Aj)Q#Fd[  
Ic9L@2m  
规格：参数概述（12° x 46°光束） %'yrIR  
.VCY|KZ  
   N+=
|WeZ  
eHuJFM  
光束整形装置的光路图 MQQm3VaKS  
U}RBgPX!  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 {aUnOyX_  
 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。 _cX}!d!j  
Gv_~@
MN
 
反射光束整形系统的3D视图 ~w+I2oS$  
[b:&y(  
)1uiY f&k  
|QDoi[ *  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 x9vSekV  
 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）。 @PEFl"  
4|=>gdW)KN  
详述案例 }l|S]m!  
dRX~eIw  
模拟和结果 LE\=Y;%  
Uj):}xgi'  
结果：3D系统光线扫描分析 P.'.KZJ:WD  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 STp9Gh-  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 OG/b5U
 
+;
?mg(:  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd uiVNz8H  
 USVDDqZ  
使用参数耦合来设置系统 5To@d|{  
7nek,8b  
BDB*>y7(  
自由参数： *nCA6i  
 反射镜1后y方向的光束半径 7k(}U_v  
 反射镜2后的光束半径 Vr1}Zv3K'  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） cb|+6m~  
 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。 \c< oVF'  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Qt>K{ >9Cf  
_MBhwNBxZ  
eV[{c %wN:  
b=
,BLe\  
#ibwD:{  
BNfj0e5b  
b/M/)o!C  
自由参数： x]{P.7IO'  
 反射镜1后y方向的光束半径 wa"0`a:`;  
 反射镜2后的光束半径 .a.HaBBV  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ;W,* B.~  
 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。 CO wcus  
i#[8I-OtN/  
!8H0.u rw  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ~#r>@C  
Q@VA@N=w  
jHFjd'  
结果：使用GFT+进行光束整形 ~}.C*;J  
\'m7un  
xMJ-=  
Kh]es,$D  
v$y\X3)mB  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 @t%da^-HS"  
-9b=-K.y  
_3`GZeGV  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 4uXGpsL  
dn(!wC]  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ^?cu9S3  
kTL{Q0q  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： :zHSy&i`  
suN6(p(.  
7{#p'.nc5  
w <r*&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd y\FQt];z)  
Z",0 $Gxu  
结果：评估光束参数 REh"/d  
~c EN=(Z~r  
2*cNd}qr  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 3f`Uoh+  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 G*=HjLmZg  
)G2Bx+Z;L  
T<uX[BO-a  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 ~VsN\!G  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） V^s, 3C  
o,i_py  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd F'uqL+jVO  
6()Jx%  
光束质量优化 (Y~/9a4X  
#wyceEa  
=oSD)z1c?x  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 LQF;T7VKS)  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 MHpGG00,  
`{#"
"I^_  
结果：光束质量优化 =v3o)lU  
T!x/^  
z>!./z]p  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 q,[;A
Hb  
ug%7}&  
\#[DZOI~  
8$uq60JK  
 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。） o

"r  
27Gff(  
^iH[ 22b4  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd "smU5 s,P  
tar/no  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Y$OE[nGi%X  
PS~_a  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 *$cx7yJ  
R(}<W$(TV  
`@y~
JNf!  
 这意味着参数变化是的正态 nzbVI  
Yv1yRoDv  

K-'uE)  
>_Tyzl>z  
|K.I%B  
 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。 ~vYF
QKrb  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 %|4Kak]:Q  
%0&,_jM/9  
O}C*weU  
;-JF1p7;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run U9B
htmY  
I!!cA?W  
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） j~bNH~3  
&tUX(  
]HWeVhG  
7oC8ID  
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。 odL*_<Z  
{JdXn  
总结 $$$[Vn_H<  
dOaOWMrfdf  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 |

7K>`  
1.模拟 /pRv i>_(:  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 #+<YFm\i  
2.研究 n:a~=^IV  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 A#`$#CO  
3.优化 Swf%WuDj  
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。 D_(NLC  
4.分析 I>8_gp\1  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 n"?*"Ya  
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。 iYiTkq  
SDbkPx  
参考文献 C6gp}%  
[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). E#d~.#uH  
*|q{(KX  
进一步阅读 mCn:{G8+  
M4|ION  
进一步阅读 pcIS}+L  
 获得入门视频 ;[4=?GL*  
- 介绍光路图 ,+d8   
- 介绍参数运行 J>M9t%f@  
 关于案例的文档 [zl4"|_`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 83]m/
Iz  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hKg +A  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing cD9U^SOS  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair