[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Zf65`K3  
b-{=s+:  
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 iX2]VRNxl  
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to=y#$_  
简述案例 (?(zH3  
g!+|I  
系统详情 w(/aiV  
 光源 o .qf _A  
- 强象散VIS激光二极管 o'f?YZ$.  
 元件 vA]W|sLF9  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 7 D^gMN%p  
- 具有高斯振幅调制的光阑 q(2K6  
 探测器 d\ 1Og\U|A  
- 光线可视化（3D显示） 9+{G8$Ai  
- 波前差探测 OVhE??#  
- 场分布和相位计算 &' Ne!o8  
- 光束参数（M2值，发散角） -wSg2'b4E  
 模拟/设计 83Q4On  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 37
|&?||  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： V9dF1Hj  
 分析和优化整形光束质量 }DK7'K  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 -1UD0(  
6u7?dG'4  
系统说明 b{]z wpf  
i5K[>5  
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模拟和设计结果 pnbIiyV  
Htgx`N|  
数值探测器结果 L&%s[  
+E.GLn2/  
qpE&go=k'  
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}Hxd*S  
总结 D~$r\]av  
fvF?{k>~}  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,~OwLWi-|X  
1.模拟 LkK~%tY  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 twlk-2yT!  
2.评估 $}jssnoU  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 !=:$lzS^  
3.优化 ML8<4o  
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。 T3pmVl  
4.分析 B9H@e#[  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 [3--(#R\}?  
ek}a}.3 {  
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。 A?t%e  
Vy938qX   
详述案例 )Hk3A$6(  
OSf}Q=BL  
系统参数 1PP $XJtyD  
~ y;6W0x  
案例的内容和目标 W>p-u6u%E|  
_oUHJ~&,  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 I{*<4a7q  
ZObhF#Y
9  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 x`dHJq`_g  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 vc+ARgvH+  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 4@ML3d/  
(3#Cl 1]f  
模拟任务：反射光束整形设置 fmiz,$O4?  
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。 2m35R&  
;Mpy#yIU.  
JMz;BAHT  
N0=ac5  
HsHB!mQV  
j;fpQ_KL  
规格：像散激光光束
p-zXpK"  
0 rXxRQ  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 U9A~9"O  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 U
]vYV  
J<dVTxK12  
<B6&I$Wc+  
7qg{v9|,  
)p~BQ~eip;  
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FI &,FM  
规格：柱形抛物面反射镜 6u`)QUmItg  
                         72Iy^Y[MX  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Eg2
[k.{P  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 kM
Opi =Z1  
 曲率半径等于焦距的两倍 G1"zElug  
X(\
fN[;  
`9uB~LY^i  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） W81E!RyP`  
Rx);7j/5  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 dUF&."pW e  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 'iGzkf}j  
 离轴角决定了截切区域 gUpb4uN  
QzzW x2  
规格：参数概述（12° x 46°光束） sZL#xZ5 Df  
I*IhwJFl/  
   :)_~w4&  
nM-h
&na{s  
光束整形装置的光路图 -Gw$#!  
PG_0\'X)/w  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ni6{pK4Wqm  
 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。 M\Z6$<H?U  
N\#MwLm  
反射光束整形系统的3D视图 1Lg-.-V  
B,K>rCZ/  
:w<V  
@H7Wb}  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @W^| ?  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 eXKo.JL  
C#
t'Y*  
详述案例 kIGbG;"_  
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(v{W)  
模拟和结果 &/uu)v  
pDh{Z g6t  
结果：3D系统光线扫描分析 i2sN3it  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 *r=:y{!Yd  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 xZQg'IT  
9uer(}WKT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd S
nFk>`  
9(5OeH6o?  
使用参数耦合来设置系统 't_[dSO  
wmTq` XH)  
(d<4"!  
自由参数： Mnz!nWhk  
 反射镜1后y方向的光束半径 g-e#!(  
 反射镜2后的光束半径 ;Y;
qg  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） T[sDVkCbxf  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 Pp|*J^U 4  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 7hi"6,  
c{&*w")J  
8S<@"
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xw3YK!$sIF  
']>Mp#j  
d ,Y#H0`  
o.'g]Q<}UB  
自由参数： GD:4"$)[o  
 反射镜1后y方向的光束半径
kf;/c}}  
 反射镜2后的光束半径 EloMe~a3  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ?APeR,"V  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 8Y_ol#\L  
0%Z]h?EYy|  
#Ap;_XcKw  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ]miy/V }5  
i@B[ eta  
PIWux{  
结果：使用GFT+进行光束整形 4mHvgnT!WA  
`d[1`P1i[  
+8#_59;x  
-CR?<A4mud  
8?i7U<CB  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Ga^Zb^y  
n f.wCtf].  
v9D22,K-  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 24/XNSE,-  
fnNYX]_bk  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ynB_"mg  
8>.J1C  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： \oEo~  
:UbM !  
@0eHS+  
b.@P%`@a.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ^<:sdv>Y5  
:mS# h@l  
结果：评估光束参数 4_UU<GEp  
Hzhceeh_+  
Mze;k3  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 [tH-D$V  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 5hbJOo0BZ  
" beQZG  
!bD@aVf?5  
 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。 d @*GUmJ  
 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） 5|I[>Su  
\(PohwWWo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 1O!/g  
r&2~~_d3y  
光束质量优化 /\w)>0  
3GmeD/6  
Y'u7 IX}  
 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。 cDoo
*  
 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）。 X<MO7I  
tdEnk.O  
结果：光束质量优化 &I({T`=  
$XU5??8  
%"X-&1vV  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 a2f^x@0k  
3-%Cw2ds  
M^7MU}5w  
+@
Ad1fJi  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） i,nm`Z>u  
8LI-gp\ 2  
8$c bVMjh  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd `T2$4>!  
0vGyI>  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 s3 ;DG  
KZbR3mi,  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 -L3|&O_  
XG@`ZJhU6  
"0EA;S8$8  
 这意味着参数变化是的正态 ;oNhEB:F  
!~ZP{IXyo  
~RBrSu)  
r{sebE\ ;  
1 Vy,&[c~"  
 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。 }6-ZE9H-v  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Dw2Q 'E  
/_\#zC[  
P0i V<T4^  
ZCVl5R(mZ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run SMf+qiM-E  
vZ#!uU^a:  
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） ,SScf98,j  
+y#T?!jQYj  
I<=Df5M  
9]>iSG^H  
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。 (9gOtJ  
}#v{`Sn%^C  
总结 {S<>&?XB  
 ?W0(|9  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =6=_/q2  
1.模拟 1P]de'-`j  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 +jqj6O@Tjr  
2.研究 nW+YOX|+  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 XjE>k!=I  
3.优化 #*c F8NV-  
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。 Y& ] 8 {  
4.分析 CkRX>)=py  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 n(lk dw  
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。 RiO="tX'  
Dz_eB"}  
参考文献 "%@uO)A /  
[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). =ZsGT  
!7U\J]  
进一步阅读 }Uf<ZXW  
(D{Ys'{q  
进一步阅读 a}d6o;li  
 获得入门视频 ze'.Y%]  
- 介绍光路图 NNa1EXZ[  
- 介绍参数运行 fj4^VXD  
 关于案例的文档 #^&jW  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens M0-,M/]l  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens =f:(r'm?r.  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Gqyue7;0,  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair