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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) H0tF  
    z_)`g`($  
    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 "w^Nu6  
    QE6El'S  
    4.k`[q8  
    C@)pmSQ  
    简述案例
    8|vld3;  
    S2}Z&X(  
    系统详情 zn[QvY  
    光源 kC|Tubs(  
    - 强象散VIS激光二极管 SEU\}Ni{  
     元件 q4k`)?k9  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) w7ZG oh(  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 *zSxG[s  
     探测器 Okoo(dfM  
    - 光线可视化(3D显示) Ge~,[If+  
    - 波前差探测 /b+;: z  
    - 场分布和相位计算 GMT or  
    - 光束参数(M2值,发散角) i?W]*V~ply  
     模拟/设计 |=,83,a  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 wEK%T P4  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): (7 ijt  
     分析和优化整形光束质量 :B+Rg cqi  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 Rd vn)K  
    sr4jQo  
    系统说明 yI:r7=KO  
    $*i7?S@~-  
    p~FQcW'a~  
    模拟和设计结果 5R"2Wd  
    86#-q7aX  
    T(&kXMaB  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 fK);!Hh  
    uNg'h/^NZ|  
    \"J?@  
    u'=(&><  
    P!9;} &  
    总结 44Q9* ."  
    )]tvwEo  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,FY-d$3)  
    1.模拟 yz8-&4YRNd  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 )ib7K1GJ  
    2.评估 O%prD}x  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 CQ$::;  
    3.优化 ] ZDTn  
    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。 =hPG_4#  
    4.分析 "0b?+ 3_{G  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 "I@v&(Am;  
    xl3zy~;M  
    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。 jp% +n  
    "* +\KPCU  
    详述案例 Q%I#{+OT  
    Ma>:_0I5  
    系统参数 B(8mH  
    8.[&wy U  
    案例的内容和目标 ' *}^@[&  
    2+,5p  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 W  _J&M4  
    C`3V=BB  
    |>Z&S=\I)  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 epn#qeX  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 @81-kdTx  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 (1rJFl!  
    G l_\Vy  
    模拟任务:反射光束整形设置 B>sCP"/uV  
    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。 W=UqX{-j)  
     oHOW5  
    AfUZO^<  
    L+8=P<]  
    1B6C<cL:sU  
    gxI&f  
    规格:像散激光光束 ;]{{)dst  
    kkT3 wP  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 O+p]3u  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 u1tq2"D8  
    E2Us#a  
    cES;bwQ  
    bo&\3  
    K*HCFqr U"  
    qC\]"Z`m  
    规格:柱形抛物面反射镜
    2H[=l Y  
                             LE8K)i  
     有抛物面曲率的圆柱镜 GhtbQM1[H  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Vu_&~z7h  
     曲率半径等于焦距的两倍 T_uNF8Bh  
    zpbcmQB*  
    mPckf  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) &}>|5>cJu  
    /.7$`d  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 ~l(G6/R  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) |^Y*~d<H  
     离轴角决定了截切区域 Hr /W6C  
    {-o7w0d_  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) TG4\%S$w  
    m &9)'o  
       MhHr*!N"}  
    l?})_1v,R  
    光束整形装置的光路图 Q.r B\8ea  
    [&1iF1)4  
    w}IL 8L(D  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 cC b>zI  
     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。 9@( O\xr  
    DhY;pG,t  
    反射光束整形系统的3D视图 hm*Th  
    RcY6V_Qx  
    L.SDMz  
    )WaX2uDA?  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ?+bTPl;%'  
     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)。 [Xs}FJ  
    $/4Wod*l  
    详述案例 mw:3q6  
    CbnR<W-j  
    模拟和结果 DfAiL(  
    u86J.K1Q  
    结果:3D系统光线扫描分析 /Lq;w'|I  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 }W- K  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Z|]l"W*w  
    F;cI0kP=>  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd C*"Rd   
    O4lxeiRgC  
    使用参数耦合来设置系统 F6RyOUma  
     ~Y1"k]J  
    tfi2y]{A  
    自由参数: wlm3~B\64  
     反射镜1后y方向的光束半径 nvU+XCx  
     反射镜2后的光束半径 p +u{W"I`  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ph Wc 8[Q  
     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。 =_#ye}E  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 d[~au=b  
    9)G:::8u7  
    Ln"+nKr  
    0z#l0-NdQ  
    bl(BA}<  
    ;y:#S^|?-z  
    NUi{!<  
    自由参数: ^U0apI  
     反射镜1后y方向的光束半径 y}(_SU  
     反射镜2后的光束半径 ;n yB  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) B| $\/xO  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 V/QTYy1  
    ,gAr|x7_  
    OGSEvfW  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ?TL2'U|M  
    ]=$-B  
    9b{g+lMZo  
    结果:使用GFT+进行光束整形 -L^0-g  
    dg!1wD   
    X+(aQ >y  
    i~v@  
    /u" cl2|  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 '^P*F9  
    kphy7> Km  
    |R_xY=z?  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 lB5[#z  
    |-SI(Khjk  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 ~2, wI<Nz  
    Y\\3g_YBF  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: @O  @|M'  
    \K4CbZ,.  
    "K4X:|Om"  
    t<KEx^gb  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd D7Rbho<  
    2i4Dal  
    结果:评估光束参数 %k1q4qOG]^  
    h0y\,iWXb  
    % @^VrhS  
     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。 "6[Ax{cM  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 d-A%ZAkE]  
    OTy 4"%  
    g,z&{pZch  
     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。 z9uEOX&2\  
     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) %(O^as  
    \8C*O{w  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd -Z\UYt  
    <O`q3u'l  
    光束质量优化 4n.i<K8K[  
    I5|S8d<  
    +Fkx")  
     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。 epY;1,; >  
     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)。
    R&-W_v+  
    .DV#-tUh  
    结果:光束质量优化 BZ'y}Zu*  
    Z{R=h7P  
    `5~o=g  
     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。 +wf& L  
    :,J86#S)  
    T_;G))q'  
    {F{[!.  
     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。) D$^7Xhk  
    8xGkh?%  
    N;Gf,pE  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd \gPNHL*  
    { &JurZ  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 A`r$fCt1Vi  
    (WU~e!}  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 {(zL"g46  
    c9_4 ohB  
    qLktMp_  
     这意味着参数变化是的正态 e\bF_ N2VA  
    fb S.  
    "~,(Xa3x  
    \2LA%ZU  
    ?;r7j V/`j  
     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。 Q*{H]  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ":#A>L? l  
    14)kKWG  
    ^ 8Nr %NJ  
    A<G ;  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run P$#}-15?|_  
    R/KWl^oNj  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) ywa.cq  
    Z#E#P<&d  
    E(K$|k_>  
    B2+_F"<;  
    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。 Jut'xA2Dr  
    Z;> aW;Wt  
    总结 (V |q\XS  
    Dqo:X`<bT  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 qm&53  
    1.模拟 XajY'+DIsz  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 w}KcLaI  
    2.研究 ',-X#u  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 &G5I0:a   
    3.优化 9$w)_RX9W  
    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。 -T="Ml &  
    4.分析 =GS_ G;Dz  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Y~\xWYR  
    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。 kTe<1^,m  
    hQRc,d6x5  
    参考文献 SEn8t"n  
    [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). Mh@ylp+q  
    KQy\l+\gM  
    进一步阅读 r -DD*'R  
    dodz|5o%  
    进一步阅读 R=f5:8D<-  
     获得入门视频 (TK cSVR  
    - 介绍光路图 er}'}n`@q  
    - 介绍参数运行 |H I A[.q  
     关于案例的文档 'aSORVq^e[  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens J+Y|# U  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens iO#xIl<  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing lu(Omds+  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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