[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） YhS{$Z  
/0 _zXQyV  
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 zb>;?et;)  
C*a,<`
  
":V%(c  
aF!WIvir  
简述案例 KhrFg1|  

f -7S:,  
系统详情 of=ql  
 光源 B_cgWJ*4  
- 强象散VIS激光二极管 [NL -!  
 元件 q4+Yv2e <r  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） >{b3>s~T  
- 具有高斯振幅调制的光阑 y=#j`MH{>  
 探测器 )L >Q;'  
- 光线可视化（3D显示） N2T&,&,t  
- 波前差探测 O~atNrHD  
- 场分布和相位计算 GoazH?%  
- 光束参数（M2值，发散角） W1hX?!xp!  
 模拟/设计 z<i,D08|d  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 6(>WGR
 
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： QypZH"Np  
 分析和优化整形光束质量 /eb-'m  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 <W2ZoqaV  
8A!'I<S1  
系统说明 i+
I0k~wY  
;5N41_hG  
L/%Y#  
模拟和设计结果 )%t7\1)B3  
fq=:h\\G  
数值探测器结果 B2Z0  
qW3x{L$c  
>O3IfS(l  
R B%:h-t4  
l/QhD?)9  
总结 oBC]UL;8xJ  
>9MS"t  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9OfU7_m  
1.模拟 zQ_z7FJCB  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 UhdqY]  
2.评估 3Soy3Xp  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 "|hlDe<  
3.优化 i?x$w{co  
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。 ~5T$8^K  
4.分析 &//2eL  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 !?b/-~o7S  
5aG5BA[N  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 {"t5\U6cKM  
;Gh>44UM[  
详述案例 %mu>-hac  
>uHb ^  
系统参数 B$j' /e-Zk  
QvJZkGX  
案例的内容和目标 %4/xH9  
[4: Yi{>  
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-.|vx  
Sz)b7:  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 #Z0-8<\  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 kP?_kMOx  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 X.eB ;w/}  
v^TkDf(Oz  
模拟任务：反射光束整形设置 x 'mF&^  
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。 6+e4<sy[E  
o} {-j  
XL~>rw<  
UKj`_a6  
V:>`*tlh  
He<;4?:  
规格：像散激光光束 "k, K~@}  
(l_:XG)7~b  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 8i[LR#D)  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 m1V-%kUI  
^vaL8+  
="2/\*.SL  
!-,Ww[G>  
}*Zo6{B-  
.1{l[[= W  
规格：柱形抛物面反射镜 vpV$$=Qwp  
                         Cm4
10=b  
 有抛物面曲率的圆柱镜 C`EY5"N r  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 yW`e |!  
 曲率半径等于焦距的两倍 Qi^;1&  
`I#`:hj  
( OXY^iq  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） .)t(:)*b  
u>}zm_  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 HzEGq,.  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Z/h|\SyJ  
 离轴角决定了截切区域 qRl/Sl#F  
j%WY ,2P  
规格：参数概述（12° x 46°光束） {G%3*=?,j  
> Y]_K  
  
--A&TV  
7H#2WFQ7  
光束整形装置的光路图 b!,j
a?  
 J `x}{K  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 XmlIj8%9[&  
 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。 T]uKH29.%  
s>r ^r%uK  
反射光束整形系统的3D视图 H0+:XF\M  
Oq}ip  
wE4;Rk1  
<p/MyqZf  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Ko+al{2  
 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）。 <r3Jf}%tT  
|(&oI(l5K  
详述案例 +N8aq<l  
ftaBilkjp  
模拟和结果 ydup)[n  
)$h-ZYc  
结果：3D系统光线扫描分析 cd+^=esSO  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 pl?kS8#U?  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 m3luhGn  
3>M.]w6{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd rmQ\RP W  
}_]As}E  
使用参数耦合来设置系统 gwJ}]Tf  
\imp7}N  
*_#&"(P  
自由参数： u uSHCp  
 反射镜1后y方向的光束半径 &#-[Y:?lA  
 反射镜2后的光束半径 @.1Qs`pt  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） |,{+;:  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 |eF.ZC)QWh  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 y qkX:jt  
NA\x<  
0$l&i=L  
JSRg?p\  
#<UuI9  
R}hlDJ/m-  
jceHKl  
自由参数： :v#8O~
  
 反射镜1后y方向的光束半径 r_q~'r35_  
 反射镜2后的光束半径 ;AltNGcM  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） F'XlJ M  
 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。 61kO1,Uz*  
7BS/T  
%; qY'+  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 X
~%IM1+L;  
Cc*|Zw  
Bu':2"7  
结果：使用GFT+进行光束整形 dX0x Kk%#  
ZRO.bMgZF  
gkLr]zv  
h~:H?pj3g  
=uS8>.Qj  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 =^by0E2  
%![4d;Z%x  
+yvBSpY  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 sY_fq
.Z  
*50ZinfoG  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ,rXW`7!2  
w2' 3S#nZ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： vRxL&8`&  
y^3,X_0  
WVj&0  
)2/b$i,JKk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd I ;l`VtD  
gl Li  
结果：评估光束参数 D8W(CE^}  
wH#Lb@cfZ0  
\/pVcR  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ^g\h]RD}  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 X9SJ~n  
;B(;2.<"J  
WI%zr
2T  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 D=<t;+|  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） N%:D8\qx  
cS+?s=d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 3$;J0{&[i  
O$YJku  
光束质量优化 f.sPE8#3=  
/]P%b K6B  
3huzz<n3  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 e$gaE</  
 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）。 hl=oiUf[s  
54bF)<+  
结果：光束质量优化 nvw NjN  
E\W;:p,{A  
Gt?!E6^!  
 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。 1i ?gvzrq  
HdDo&#  

\t[ hg  
2nVuz9h  
 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。） \z<ws&z3`$  
K%o6hBlk_  
':9%3Wq]j  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd mOABZ#+Fk  
3XMBu*  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 N.ItyV  
9_I[o.q   
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 O(b"F? w  
*)2x&~T*|  
g9RzzE!  
 这意味着参数变化是的正态 uMljH@xBc  
{b\Y?t^>f  

zEnC[~W  
9J't[( u|u  
/r#b  
 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。 WoC\a^V  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ^' edE5  
x0N-[//YV  

E,"b*l.  
HPv&vdr3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run k:&?$  
AIIBd  
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） I_R5\l}O+D  
r? 6Z1  
Iqe=#hUFe!  
VuYWb)@  
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。 OgzGkc@A  
U~JG1#z6  
总结 P"[ifsp  
f z/?=  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ru(?a~lF8~  
1.模拟 tIgCF?  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 i75?*ld  
2.研究 ePIly)=X  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 59"Nn\}3gE  
3.优化 .j+2x[`l  
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}k_#w  
4.分析 {!:|.!-u  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 NoSqzJyh  
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。 ~0Q\Lp);  
Z]1z*dv  
参考文献 NUxAv= xl  
[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). wUZ(Tin  
iPtm@f,bI  
进一步阅读 _mI:Lr#dT  
iYmzk?U  
进一步阅读 ,&O:/|c E  
 获得入门视频 
5Fl  
- 介绍光路图 +lXdRc`6  
- 介绍参数运行 i85+p2i7  
 关于案例的文档 HC<BGIgL  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens [h2p8i'o  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens HCe-]nMd  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing XyKKD&j  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair