[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） L~Gr,i  
r3l1I}  
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 SM2Lbfp!u  
zuV%`n  
 :\\NK/"  
HIXAA?_eh=  
简述案例 ;=Ma+d#  
s-$Wc)l  
系统详情 H<(F$7Q!\  
 光源 6ZqU:^3  
- 强象散VIS激光二极管 wq$$. .E  
 元件 <RY =y?%z  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） +/~]fI  
- 具有高斯振幅调制的光阑 )G/bP!^+(  
 探测器 N1a]y/  
- 光线可视化（3D显示） UK ':%LeL  
- 波前差探测 )`DVPudiy  
- 场分布和相位计算 IZ=Z=k{  
- 光束参数（M2值，发散角） =AIFu\9#a`  
 模拟/设计 rwRZGd *p  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 rH3U;K!  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： [';o -c"!  
 分析和优化整形光束质量 'J,UKK\5  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 L4>14D\  
o,*m,Qc  
系统说明 qGk.7wf%  
ZnEgU}g<2  
 b`jR("U  
模拟和设计结果 X:G
Rjoa  
qyz%9 9  
数值探测器结果 .xT?%xSi/  
I-]G{  
hX.cdt_?  
uY]';OtG  
\p4*Q}t  
总结 *k{Llq  
OrkcY39"~a  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 WLUgiW(0$  
1.模拟 SZWNN#w60?  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ^E70$yB^  
2.评估 yKML{N1D  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 1)X|?ZD]F  
3.优化 G\sx'#Whc  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Hn/t'D3  
4.分析 j1
_>>xB  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Xf4QLw/r  
8W&1"h`  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 1)z'-dQ-5$  
$H<_P'h-B  
详述案例 L4po1  
{!I`EN]  
系统参数 o,i_py  
f7&ni#^Ztj  
案例的内容和目标 RuHDAJ"&a  
MT{1/A;`)  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ]3v)3Wp  
Hk}P  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ie1~QQ  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {QEvc  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 L'wR$  
%w&+o.k/  
模拟任务：反射光束整形设置 4rhHvp  
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。 rCo}^M4Pb  
l"J#Pvi  
k)+{Y v*  
8(? &=>@  
g0 Q,]\~  
(cVIjo+::  
规格：像散激光光束 )a^&7  
Aw7N'0K9UN  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 KcT(/!  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ;1~n|IY  
}oD^tU IK  
x1~AY/)v  
s(X\7Hz_nC  
'A[PUSEE  
x}ZXeqt{{  
规格：柱形抛物面反射镜 D&fOZVuqZ  
                         OIFjc0  
 有抛物面曲率的圆柱镜 xjp0w7L)J  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 O C;~ H{  
 曲率半径等于焦距的两倍 OTYkJEC8\N  
oyiG04H&  
\>\ERV
Ed  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） :"y2u   
~JRq :  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 CL7_3^2qI  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） n%WjU)<  
 离轴角决定了截切区域 :H>I`)bw  
C#[P<=v  
规格：参数概述（12° x 46°光束） g8/ ,E-u  
8}BM`@MG  
   gR/?MJ(v  
kP5I+B  
光束整形装置的光路图 k/F#-},Q.  
9<&*iIrM  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 xsU%?"r  
 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。 +6:
  
a,fcK
e&B  
反射光束整形系统的3D视图 0[H/>%3O  
5ms]Wbh)  
F(j;|okf;  
9y[U\[H  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 BJ_"FG  
 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）。 ;pL!cG@  
#HP-ne; #  
详述案例 id,'+<  
IT#Li  
模拟和结果 ]?V:+>t=  
vMY!Z1.*  
结果：3D系统光线扫描分析 jp"Q[gR##  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 O:'qwJ#~  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N=U`BhL_  
~p'|A}9[/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4YY!oDN:  
K20Hh7cVJ  
使用参数耦合来设置系统 o;DK]o>kH  
60n>FQ<  
*oLDy1<  
自由参数： x44V 9-o  
 反射镜1后y方向的光束半径 3 [#Rm>,Vu  
 反射镜2后的光束半径 +P9eE,WR  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） *"OlO}o  
 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。 VL5VYv=:  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 EXbZ9 o*  


#""T>+  
b{&'r~

 
)zy;!  
Xhyn! &H5  
Ttl m&d+C  
Jza?DhSAZ  
自由参数： Z{t `f[  
 反射镜1后y方向的光束半径 LB({,0mcX  
 反射镜2后的光束半径 0s Jp,4Vv  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） p,f$9t4  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 : Wtpg   
ukVBC"Ny  
-awG14%  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 `<P:ly.  
]1zud  
\N-3JOVy  
结果：使用GFT+进行光束整形 FSz<R*2  
M/lC&F(  
3.P7GbN  
[+l
6x1Am  
+*`kJ)uP  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 rtbV*@Z  
l{]KA4  
9Nna-}e?W  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Gj%q:[r  
p{v*/<.;  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 F?jD5M08t/  
bJ9*z~z)e  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： R i,_x  
KJS-{ed  
x![.C,O  
N^wHO<IO1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 9@IL547V  
%CnNu  
结果：评估光束参数 z Fj|E  
}CZw'fhVWO  
0s{7=Ef  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 L^Q;M,.c;  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 a9 q:e  
K0B<9Wi|  
p_]b=3wt~  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 9LBZMQ  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） yZm=#.f  
SYf1dbc..u  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ~#P]NWW%.  
ux!YVvTPd  
光束质量优化 |v : )9  
]jiVe_ OS<  
 .9r85  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 @TXLg2  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 v.4G>00^  
QY<5o;m`  
结果：光束质量优化 .L;e:cvx  
nN-S5?X#  
d+5~^\lV  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 /NiD#s0t  
1ZRkVHiz0  
H[OgnnM  
.oLV\'HAR  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） P,3w b  
|Ox='.oIb  
4 83r
U  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd /K1cP>oE  
53a
^9  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 q~W:W}z  
UuF(n$B  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 "dDrw ]P;  

T,>L  
nu~]9~)I  
 这意味着参数变化是的正态 }P{Wk7#Jq  
N#-pl:J(  
:{lP9%J-  
\weg%
a  
v*dw'i  
 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。 wD{c$TJ?{F  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Sl^PELU  
SZ$WC8AX  
Qr7v^H~E4.  
^[Ka+E^Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run =8<~pr-NO  
^-
>S7[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） %8xRT@Q  
woPj>M  
m~Q24Z]!'&  
'x"(OdM:[  
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。 fG$LqzyqlK  
$of2lA  
总结 vW vu&3tx  
S7PWP<9  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 4G&dBH  
1.模拟 7C3YVm6g  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 6},[HpXRc4  
2.研究 SUUN_w~  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9:VUtx#}2  
3.优化 xb9+-{<J  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 :N$-SV  
4.分析 >-<iY4|[d  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 324XoMO  
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。 "opMS/a"7  
+FqE fY4j  
参考文献 Fr  
[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). fbOqxF"?we  
lG94^|U  
进一步阅读 emnT;kJ>  
Km%L1Cd]  
进一步阅读 X~JP 1  
 获得入门视频 hdrsa}{g  
- 介绍光路图 }58MDpOF1  
- 介绍参数运行 [x>Ju&))$  
 关于案例的文档 }AJoF41X  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ?&~q^t?u  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 3Ioe#*5\  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing bSX/)')jU  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair