[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） pJC@}z^cw  
28u)q2s^W|  
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 bE-{ U/;  
p$XL|1G*?H  
P;D)5yP092  
tN&x6O+@  
简述案例 }yup`R  
zPp?D_t  
系统详情 NJfI9L  
 光源 )_P|_(  
- 强象散VIS激光二极管 NPws^  
 元件 
MS,J+'2  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） >t|u 8/P  
- 具有高斯振幅调制的光阑 e&G!5kz!  
 探测器 `+[e]dH  
- 光线可视化（3D显示） PN ,pEk|  
- 波前差探测 sW[8f Z71  
- 场分布和相位计算 c <8s\2  
- 光束参数（M2值，发散角） @EZ@X/8{&  
 模拟/设计 1$Rua  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 D2o,K&
V  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 1ID0'j$  
 分析和优化整形光束质量 d'~ kf#  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 v\>!J?  
{VBx;A3*I  
系统说明 [A?Dx-R;(  
XK[cbVu  
MA\"JAP/  
模拟和设计结果 ~y.{WuUD  
A`Vz5WB  
数值探测器结果 \F;V69'  
z1t YD  
tMxa:h;/x  
uGIA4CUm  
ZUJ!  
总结 gs)wQgJ[  
~^((tT  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 J<h^V+x  
1.模拟 &kKopJH  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 iaAVGgA9+  
2.评估 ^&oa\7<'  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 tz&'!n}  
3.优化 Xx_v>Jn!  
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。 H!Gsu$C  
4.分析 4.|-?qG  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 4G`7]<  
g4,>cqRkq  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 CL{R.OA  
4fPbwiKj  
详述案例 +yX\!H"  
XQAdb"
`  
系统参数 s@^(1g[w`  
'@)47]~  
案例的内容和目标 40}qf}8n t  
!=j\pu} Z  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ,7:_M>-3g  
?I{pv4G:  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 (R)\  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 aBk~/  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 f`w$KVZ1!w  
1vlRzkd  
模拟任务：反射光束整形设置 LB}y,-vX>  
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。 e;KZTH;  
R/8>^6  
23XSQHVx  
E6(OEC%,  
AfmGA9  
P$z8TDCH  
规格：像散激光光束 8x$BbK  
>5C|i-HX  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 MNURYA=  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ^E_`M:~  
?3bUE\p  
6x%uWZa'  
K)5'
Jp@  
C'x?riJ/  
7kmU/(8  
规格：柱形抛物面反射镜 k2Yh?OH  
                         ,H!E :k  
 有抛物面曲率的圆柱镜 w'[lIEP 2$  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 TCAtb('D  
 曲率半径等于焦距的两倍 5:(uD3]  
p9]008C89  
*B"p:F7J|  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） v;.7-9c*  
\tf \fa  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 # Vz9j  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ;WX)g&19x  
 离轴角决定了截切区域 bqEQP3t^  
C.I.f9s?R  
规格：参数概述（12° x 46°光束） vt0XCUnK  
[<m1xr4"k  
   ud]O'@G<  
,f0|eu>  
光束整形装置的光路图 g{K*EL<  
(jYHaTL6Y'  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 6XyhOs%/  
 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。 II$B"-  
ZuIr=`"j  
反射光束整形系统的3D视图 +4G]!tV6  
r7w1~z  
3|4jS"t{
f  
PveY8[i  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 G+Ft2/+\  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 f0rM 4"1  
 pv<$ o  
详述案例 O>]I!n`!!A  
LQT^1|nq  
模拟和结果 w"Gci~]bXU  
<GoUt
h.#  
结果：3D系统光线扫描分析 QkbXm[K.Z  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 HGqT"NJr  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 1}1.5[4d  
?@"F\Bv<h  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &DoYz[q  
oujg( ^E  
使用参数耦合来设置系统 QcBuUFf!c  
H_gY)m  
m
$^Wyk}  
自由参数： _;baZ-  
 反射镜1后y方向的光束半径 5[{l
9  
 反射镜2后的光束半径 r;}%} /IX  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） P|,@En 1!  
 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。 
$#R@x.=  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 +]I7]  
#-S%aeB  
gA0:qEL\  
)C^ZzmB  
.Cq'D.  
R42+^'af  
bgD4;)?5b  
自由参数： %j3XoRex><  
 反射镜1后y方向的光束半径 aLZza"W  
 反射镜2后的光束半径 .Jk[thyU  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (+SfDL$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。 m-V_J`9"  
S]_iobWK  
OV<'v%_&  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 M<h2+0(il  
3>60_:+Zb  
+OSF0#bj  
结果：使用GFT+进行光束整形 [D/q  
;+:C  
sfb)iH|sW  
Zb> UY8  
4%k{vo5i  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 #0OW0:Q  
ft |W  
nPlg5&E  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Y3%_IwSJ|  
Jz"Yb  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 1 Hw%DJ  
0?@;zTE0  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： B?bdHO:E~  
D==C"}J  
lX g.`  
-8Z;s8ACo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >;wh0dBe  
e`]x?t<U4/  
结果：评估光束参数 pZeJ$3@vk  
[S Jx\Os  
<L!9as]w  
 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。 94uAt&&b(  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 BqoGHg4iq  
EV=/'f[++  
JU>F&g/|  
 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。 zDakl*  
 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） $,I%g<  
<c;U 0! m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd B EN U  
^T>P  
光束质量优化 Hl"^E*9x  
86 $88`/2  
5t
=7-  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 KE$I!$zO  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 zE,1zBS<  
Bp:PAy  
结果：光束质量优化 l%\p  
2!
kb?  
b8FSVV 7@  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 fYgEiap  
Ef)v("'w  
@zs.M-F  
Z;'5A2  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） s~i73Qk/  
>f\$~cp  
/#Fz K  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd UlNx5l+k  
d?6\  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 h/s8".\  
8wH1x .  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 v#^_|  
(fqU73  
(C9{|T+h  
 这意味着参数变化是的正态 k-jlYHsA  
o;[cApiQ,2  
R+&{lc  
']C" 'b  
P*!~Z*"  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ^ }kqAmr  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 VX6M4<8  
*L{^em#b  
q;Rhx"x>T  
p3Z[-2I  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `Lj'2LoER  
MhDPf]` Gg  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） Xh?J"kjof  
"2_nN]%u-  
k
*ZYT6Z?  
0Qr|!B:+9)  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 /Z1>3=G by  
O*lMIWx  
总结 VJbn/5+P  
f\u5=!kjN  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Yu+;vjbK-  
1.模拟 cv7.=*Kb;  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 /P[@o  
2.研究 u OB`A-K  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 (nnIRN<}$  
3.优化 /St d6B*  
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。 YgLHp/  
4.分析 y.aeXlc[  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 z{(c-7*  
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。 WqRaD=R->;  
3J}/<
&wv  
参考文献 OrRU$5Lo  
[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). @$7l  
92D :!C  
进一步阅读 c:u2a/Q?  
T]lVwj  
进一步阅读 z)f
g>?AGr  
 获得入门视频 8,&pX ga  
- 介绍光路图 _zG[b/:p  
- 介绍参数运行 OV`#/QL  
 关于案例的文档 oTb4T=  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens {s
3j}&  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens }&Ul(HR  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing nV_[40KP_  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair