[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） mx^rw*'JGC  
8O*O5  
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 Pv8AWQQJ  
_1\H{x  
.noY[P8i  
-]MZP:s  
简述案例 +$GP(Uu,  
K5d>{c  
系统详情 sQY0Xys<4  
 光源 !AL?bW  
- 强象散VIS激光二极管 dC">AW  
 元件 4+0:(=>[%  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Qhn>aeW,  
- 具有高斯振幅调制的光阑 4f,%@s)zn  
 探测器 MCfDR#a  
- 光线可视化（3D显示） 2FTJxSC  
- 波前差探测 *>Zq79TG  
- 场分布和相位计算 u O~MT7~[X  
- 光束参数（M2值，发散角） ^eqq|(<K  
 模拟/设计 7(5 wP(  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 [i N}W5 m  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Cx`?}A\%  
 分析和优化整形光束质量 Gh{vExH@5(  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 cU=EXyP%  
[UaM}-eR  
系统说明
XE*#5u8t  
.n| M5X  
,W;2A0A?X  
模拟和设计结果 *s"{JrG`O  
<F5x}i~(C  
数值探测器结果 ,N5-(W  
Z<tJ+  
e_CgZ  
E.rfS$<1  
>1d`G%KfG  
总结 c ]&|.~2&  
z4c{W~}`  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 25`6V>\  
1.模拟 09rbu\h  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 =wX(a  
2.评估 5?4jD]Z  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 *.NVc  
3.优化 1'[_J  
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。 Ja#ti y  
4.分析 FFqqAT5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 GbZqLZ0  
HrQft1~N  
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。 XQL]I$?  
elm]e2)F  
详述案例 >`c-Fqk  
'0>w_
ge4  
系统参数 +&hd3  
8;]U:tv  
案例的内容和目标 ojZvgF
 
c2<JS:!*  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 P_ x9:3  
r%~/y  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 hb
v>Jjd  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 E"$AOM?(*i  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 z>X<Di&x)  
-5t
.1/  
模拟任务：反射光束整形设置 |/-H:\5  
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。 Y-Gqx  
zQQ=8#]  
d'Z  
INj2B
@_  
U6
@j=|q  
>|22%YVX  
规格：像散激光光束 \d#|n u  
\vv
V=iw  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 m#a0HH  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 1FiFP5  
2pEr s|r  
o3~ecJ
?k  
 Lx:O Dd  
]ozZW:  
4<`'?  
规格：柱形抛物面反射镜 qZ6Mk9@M  
                         'X$2gD3c9  
 有抛物面曲率的圆柱镜 <Prz>qL$  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 i?&g
;_n^  
 曲率半径等于焦距的两倍 .
Bu?=+O~  
DPE]<oM  
s<t*g]0`/  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） >Hq)1o  
HTz&h#)JQ  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ~;A36M-[.  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） q;p:)Q"  
 离轴角决定了截切区域 l|c#  
E6  2{sA^  
规格：参数概述（12° x 46°光束） { ke}W  
QVVR_1Q  
   |Y6+Y{|\  
Q^qdm5}UkW  
光束整形装置的光路图 YVMwb@|  
h`0'27\C  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 t`6R)'  
 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。 kCO`JAH#  
\/Z?QBFvz  
反射光束整形系统的3D视图 7r?s)ZV  
/K{`gc  
B1GBQH$Ms  
qd=&*?  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 _{fh/{b1  
 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）。 I$7#Z!P6|  
ahno$[  
详述案例 M~Tx4_t  
b'Scoa7@'  
模拟和结果 t7"vAjZU  
y Q_lJIX  
结果：3D系统光线扫描分析 lj{Jw.t  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 1Z5:DE<  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 #-wtNM%1#  

'w^Md  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd =@F1J7  
iB
 =R  
使用参数耦合来设置系统 &jh'B,  
6tC0F=  
Bw]Y71  
自由参数： ~|_s2T  
 反射镜1后y方向的光束半径 66G$5  
 反射镜2后的光束半径 UQmdm$.  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） cN}Aeo  
 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。 .</`#  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 $wgHaSni  
^h}xFiAV#  
2UPqn#.3  
MC
BZq\c  
{s8v0~  
}pOem}  
\t6k(5J  
自由参数： _sEkKh8x  
 反射镜1后y方向的光束半径 sYQ=nL  
 反射镜2后的光束半径 IUt/V^  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） W+v7OSd92  
 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。 PyOj{WX>W  
'P1I-ue
 
s<f<:BC  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 R4 8w\?L  
i(hI\hD  
G4=R4'hC  
结果：使用GFT+进行光束整形 A2fc_A/a  
A4lW8&rHI  
)5NfOvmNB  
s4RqY*VK  
IYIlab\TZ  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 6FYO5=R  
?<YQ %qaW7  
`Bw>0%.  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 8zDLX,M-  
~N<zv({lG  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 &:K!$W  
!
p&[:+qN  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： LHQ$0LVt>T  
f6\`eLGi1  
!^~ ^D<  
U3R;'80 f  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd r#svj*dn  
,".1![b  
结果：评估光束参数
k0@b"y*  
ljr?Z,R4  
q5@N//<DNN  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 fi|k)  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 >iZ"#1ZL2O  
=tP%K*Il4  
:eL{&&6  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 +v!%z(  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） TBAF_$  
J>@T'#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd zWN<"[agc  
Yo 0wufbfV  
光束质量优化 sbeS9vE  
>-%tvrS%  
2.,4b-^  
 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。 A_:CGtv:  
 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）。 8-s7^*!  
<D_UF1Pk  
结果：光束质量优化 5]-q.A5m  
VLdQXNg9W"  
2LO8SJ#  
 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。 |^S{vub  
QfdATK P  
d[0
R#2y=  
J~}%j.QQ7  
 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。） ^k*h  
)#(6J  
C\3;o]  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd q(Q$lRj/I-  
5$58z  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 '<Fr}Cn  
Em<B9S  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 IBT1If3  
u~]O #v  
D1ep7ykY  
 这意味着参数变化是的正态 (aeS+d x  
r5>1n/+6  
MWl2;qi  
4X}.aZO&b  
~K7$ZM  
 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。 V_x8 Q+~?  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 HQy:,_f@  
a3f-9LN  
Wx:He8N] H  
6E)emFkQ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run @mD$Z09~  
}xA Eu,n^  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） rGn6S&-  
D\4pLm"!v  
]jB`"to*}  
]B2%\}c  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 vWs#4JoG  
|7$Q'3V  
总结 T4JG5  
+lhjz*0  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Q?g#?z&Pu\  
1.模拟 X$Y\/|!z  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Q"Pl)Q\  
2.研究 Qq|c%FZ  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Fd1t/B,  
3.优化 KHTRoXt  
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。 o..iT:f;n  
4.分析 L=_ 
  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 /S #Z.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。 w;wgh`ur  
nK8IW3fX9)  
参考文献 1C5~GI`  
[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). riu_^!"Z_  
 r .`&z  
进一步阅读 >4^,[IO/  
h`@z61UI  
进一步阅读 M/abd 7q  
 获得入门视频 8+n*S$  
- 介绍光路图 _, r6t  
- 介绍参数运行 kZK1{  
 关于案例的文档 mb?r{WCi  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens mD_sf_2>
 
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens C9j3|]nyL  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Njmb{L]Cps  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair