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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) 5BO!K$6  
    F"P:9`/  
    二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 {O oNhN9  
    ")gCA:1-  
    q5?mP6   
    )Nd:PnA  
    简述案例
    EUS]Se2  
    :DpK{$eCb  
    系统详情 ojqX#>0K  
    光源 %,q#f#  
    - 强象散VIS激光二极管 >A "aOV>K  
     元件 S^n4aBm\+  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) VQx-gm8}!  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 P(+ar#,G  
     探测器 -dN;\x  
    - 光线可视化(3D显示) "?.Wb L  
    - 波前差探测 6oBt<r?CJ  
    - 场分布和相位计算 SO<K#HfE$?  
    - 光束参数(M2值,发散角) Ri0+nJ6  
     模拟/设计 `8bp6}OD,  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 vt=S0X^$yc  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): Wfw9cxGkf  
     分析和优化整形光束质量 ne*aC_)bT  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 ] CE2/6Ph  
    % 7:  
    系统说明 l7um9@[4  
    En_8H[<%  
    tqf-,BLh  
    模拟和设计结果 "n-xsAG  
    ]g!<5 w  
    =S +:qk  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 #!@ ]%4  
    lv&wp@  
    NFPkK?+  
    sB!A:  
    Q :|E  
    总结 |(g2fByDf  
    +y#979A,  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 O$^YUHD  
    1.模拟 [_Z3v,vt,  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 k/Q]K e  
    2.评估 gE(03SX  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 014!~c  
    3.优化 a$A S?`L  
    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。 2O>iAzc  
    4.分析 ]7@Dqd-/S  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 A;PV,2|X  
    pqX=l%{4ES  
    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。 b5C #xxIO  
    A":x<9   
    详述案例 )63w&  
    ``D-pnKK  
    系统参数 7c7SU^hD  
    SOJHw6  
    案例的内容和目标 i^Q^F  
    !).d c.P  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 C5FtJquGN)  
    EA72%Y9F  
    <jjaqDSmz  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 mmti3Y  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 nAOId90wue  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 BZsxf'eN'  
    6zSN?0c  
    模拟任务:反射光束整形设置 \WEC1+@  
    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。 NKN!X/P  
    14O/R3+  
    ,P]{*uqGiB  
    ,0O!w>u_]J  
    6iOAYA=  
    C_o.d~xm  
    规格:像散激光光束 4}`MV.  
    ) Lv{  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 UlR7_   
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 (;0]V+-  
    NaIVKo  
    pw .(6"  
    ;+\;^nS3d  
    2*N# %ZUX  
    ]b)(=-;>  
    规格:柱形抛物面反射镜
    ?IWS  
                             dx#N)?  
     有抛物面曲率的圆柱镜 6$Y1[  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 7Uh}|6PU  
     曲率半径等于焦距的两倍 G1BVI:A&S  
    wlJ_, wA  
    <=lP6B  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) b`' ;`*AN+  
    wP'`!O[W  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 YN^8s  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) e3.TGv7=  
     离轴角决定了截切区域 |?8wyP  
    mDhU wZH  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) x<"e  
    ;Ti?(n#M>  
       pa7fTd  
    Ek:u[Uw\  
    光束整形装置的光路图 #gq3 e  
    fw5AZvE6$  
    mmi~A<  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 4)?c[aC4P  
     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。 X~0P+E#  
    Wr;)3K  
    反射光束整形系统的3D视图 _oWenF  
    D6D*RTi4  
    QH;aJ(>$  
    X^?-U ne  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 z&eJ?wb  
     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)。 drH!?0Dpg  
    Z`[j;=[  
    详述案例 ]l4\/E W6  
    ZyTah\yPM  
    模拟和结果  mJ-@:5  
    .Xr_BJ _  
    结果:3D系统光线扫描分析 U6{ RHS[  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 yy9Bd>  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 u%2u%-w  
    v / a/  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd i''dY!2  
    4h|D[Cb]  
    使用参数耦合来设置系统 hPl;2r  
    bF3j*bpO"  
    tW(E\#!|p<  
    自由参数: i"r=b%;;  
     反射镜1后y方向的光束半径 KxvT}"k  
     反射镜2后的光束半径 >k:)'*  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) q,2 @X~T  
     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。 Cnc77EUD  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 z*FlZLHY  
    bw@tA7Y  
    ?p`}6s Q}  
    ?Hy++  
     d(k`Yk8  
    yfV{2[8ux  
    3p7*UVR"  
    自由参数: 3#dUQ1qo6  
     反射镜1后y方向的光束半径 :yv!  x  
     反射镜2后的光束半径 \4V'NTjB  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 9t=erhUr  
     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。 M jHeUf  
    7"M7N^  
    -i 9/1.Z  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 {C 7=  
    z%b3/rx  
    u+{5c5_  
    结果:使用GFT+进行光束整形 |%$d/<<PZ  
    y:1?~R  
    YTY0N5["  
    W0R6<- 1  
    cZ5[A  T  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 |GIT{_JE  
    LV`- eW  
    9) wjVk  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 2PRGwK/  
    Z$2mVRS`c  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 SJw0y[IL6(  
    MECR0S9  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: fz<Y9h=  
    m"u 9AOHk  
    XxV]U{i!  
    $U!w#|&  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Yh"R#  
    G.L4l|%W  
    结果:评估光束参数 ucTkWqG  
    0(teplo&P  
    d@`yRueWiV  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 d d8^V_Kx  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 I4u'b?* je  
    W.>yIA%  
    |`#[jHd  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 (/PD;R$b  
     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)  c,x2   
    xOP\ +(  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd r)ga{Nn,.  
    #uKHw2N  
    光束质量优化 8> Gp #T  
    N/]TZu~k z  
    yv,90+k  
     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。 T7&itgEYG/  
     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)。
    JWM/np6  
    v^JyVf>  
    结果:光束质量优化 (,HA Os  
    % kKtPrT  
    |(Io(e  
     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。 F^KoEWj[H  
    4{*K%pv\  
    LKztGfy  
    y%p&g  
     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。) Yr!<O&=  
    ( ]'4_~e  
    6<FJ`l]U9  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 5h1FvJg  
    lLo FM  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 e$ E=n  
    QfRt3\^`  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 oQFpIX;\m  
    ]'M Ly#9  
    'N0d==aI  
     这意味着参数变化是的正态 %]RzC`NZ  
    >lN{FJ  
    LR'F/.Dx  
    w9l)=[s=  
    <eb>/ D  
     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。 `[/BG)4  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 rEz=\yY^j'  
    T<?JL.8g_  
    8BC}D+q  
    "P'W@  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run EivZI<<a  
    a4O!q;tu7  
    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) #Z(8 vA^@  
    67')nEQ9  
    r4D6g>)h1q  
    Z_cTuu0'  
    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。 &3'II:x(  
    r68'DJ&m3  
    总结 )nTOIfP2  
    WwPfz<I  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Ri"3o  
    1.模拟 \{P(s:  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 7Oru{BQ">  
    2.研究 e(,sFhR  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 C$-IDBXK  
    3.优化 l%rwJLN1  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 }q)o LC  
    4.分析 jx+%X\zokA  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 b-;+&Rb  
    可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 39BGwKXb  
    Y_xPr%%A  
    参考文献 =VH, i/@  
    [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). Cn[`]  
    3;>|*(cO  
    进一步阅读 th2a'y=0  
    w`UB_h#Bl  
    进一步阅读 bWW$_S pr  
     获得入门视频 wMT?p/9Blm  
    - 介绍光路图 BI3Q~ADV  
    - 介绍参数运行 )R<hYd  
     关于案例的文档 ^$4d'  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens !dv  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens /q ;MihK  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing w<| ^i*  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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