[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） $S!WW|9j.  
QmB,~x{j>  
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 ~f%AbDye  
 PYYO-Twg  
$L$GI~w/  
;%aWA  
简述案例 Fqp~1>wi  
iJK rNRj  
系统详情 r;aP`MVO<  
 光源 i(>v~T,(  
- 强象散VIS激光二极管 qS+Ilg  
 元件 3H
47 vm(`  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） =R\-mov$  
- 具有高斯振幅调制的光阑 rO{"jJ  
 探测器 1]XIF?_Dm  
- 光线可视化（3D显示） t]%!vXo  
- 波前差探测 =Hs~fHa)  
- 场分布和相位计算 > 'KQL?!F  
- 光束参数（M2值，发散角） UwxrYouv~@  
 模拟/设计 RJI*ZNbA  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 TDQh^Wo  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 6ypqnOTr  
 分析和优化整形光束质量 ui6B  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 V/-~L]G  
IsCJdgG  
系统说明 
P1l@K2r  
ETVT.R8  
Mky8qVQ2  
模拟和设计结果 Uyyw'Ni  
5Gsj;  
数值探测器结果 )Z 3fytY  
@V-CG!  
b511qc"i>M  
Pjff%r^  
$T0|zPK5  
总结 X_eV<]zA+  
Z;mDMvIu (  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 h@D4~(r  
1.模拟 G1'w50Yu  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 r4qFEFV3%  
2.评估 5+O#5"v_  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 _?2xIo  
3.优化 :+,qvu!M7  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ),6Z1 K1  
4.分析 XfT6,h7vFL  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 X|wXTecg*|  
6A/|XwfE/v  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 }J$PO*Q@'  
|E]YP~h  
详述案例 qQ6NxhQo  
)V}u1C-N  
系统参数 vP'R7r2Yx  
E%-&!%_>D@  
案例的内容和目标 qwaw\vO
A  
{ersXQ
:  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ZdHWSfO)O  
{_/6,22j(V  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 lv ^=g  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 aTs_5
q  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 RGtUKr'  
~ab"q%  
模拟任务：反射光束整形设置 N]yk<55  
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。 9AL\6@<a*  
%r!  
t@v>eb  
&:jE+l  
\aUbBa%!  
}u+R,@l/  
规格：像散激光光束 +-~;?wA  
c/2OR#$t  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 |ns^'q  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Ruk6+U  
~0 FqY&4  
$C)@GGY  
y~S[0]y>  
*}w.xt  
3^su%z_%  
规格：柱形抛物面反射镜 6y5arP*6e  
                         #lLL5ji  
 有抛物面曲率的圆柱镜 -GKelz?h>  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 T8hQ< \g  
 曲率半径等于焦距的两倍 ld@f:Zali  
kkOYC?zE?  
kh,M'XbTo  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） tc,7yo\".  
_mkI;<d]$T  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Yu1xJgl  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） "?9fL#8f*!  
 离轴角决定了截切区域 'b^:"\t'Rh  
1k/l7&n"  
规格：参数概述（12° x 46°光束） X7 ZaQ .  
6|dUz*Pr|\  
   tt[_+e\4  
x
.r`(  
光束整形装置的光路图 4rzioIk  
m9B3]H  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 g<dCUIbcQ  
 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。 sw@2 ?+  
c,~44Z  
反射光束整形系统的3D视图 8\V-aow  
n `Xz<Q!  
BA>0 +  
Qom@-A  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 G[^G~U\+!  
 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）。 mX1oRhf  
2b"5/$|6  
详述案例 ) k2NF="o  
JX/d;N7a  
模拟和结果 &4%J35~  
7lj-Z~1  
结果：3D系统光线扫描分析 &+^ # `nq  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 y-X'eCUz  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 'q^Gg;c>+  
O``MUb b  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd N*MR6~z4  
jbGH3 L  
使用参数耦合来设置系统 g`6wj|@ =W  
7w$R-Y/E  
/uc/x+(_  
自由参数： Iw:("A&~  
 反射镜1后y方向的光束半径 C/vLEpP{(/  
 反射镜2后的光束半径 U+RPn?Q  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） '_<`dzz  
 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。 _NZHrN  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 E9:hK  
2r0!h98  
Rp|&1nS  
&sgwY  
:V2Q n-N  
4|L@oTzx  
:&-}S>pC  
自由参数： _Kj.  
 反射镜1后y方向的光束半径 \xZBu"  
 反射镜2后的光束半径 M^f1D&A  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） vWovR
`  
 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。 JT9<kB/07  
i+Dgw  
bLzuaNa'  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 4~Pto f@  

rQm  
O*v+<|0!l  
结果：使用GFT+进行光束整形 pd
Hb  
bx^EaXj(r  
T!A}ipqb  
B3t>M) 9  
g
DG m32  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 c):*R ]=  
@/(7kh+  
jq)|
7_N  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 EXcjF  
LD~'^+W  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 F.5b|&@  
o)=VPUe  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Z+W&C
@Uw  
sr+mY;  
PI \,`^)y  
=M#?*e  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ZcRm5Du~:  
xm0#4GFUS  
结果：评估光束参数
Nt-SCLDM  
vaOL6=[#:g  
j/pQSlV  
 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。 z]|[VM?4L  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 R<-C>D  
:+Ax3  
_5w?v~65  
 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。 ==Mi1Q#5C  
 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） 2rtP.*d
d  
}C"*ACjF  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd C(HmLEB^  
97wy;'J[u  
光束质量优化 G)B
q?=P  
k1U8w
doT  
J8BT%  
 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。 >#U<#  
 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）。 *b{lL5  
]U1,Nh
Zu  
结果：光束质量优化 Q]5^Eiq8  
QU!'W&F6  
T$8~9qx  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 Zt2@?w;  
=G F  
+()t8,S,  
O\Mq<;|7m  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） a`~eC)T  
^r_lj$:+$  
z12But\<  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd xqC<p`?4  
)c >B2
3D  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ~)a;59<$  
LsQ8sFP_"  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 y2$;t'  
`s>=Sn&UP  
Gb|}Su  
 这意味着参数变化是的正态 L##8+OJ.L  
X/8iJ-KB  
SKpPR;=q|:  
}`N2ZxC0AQ  
;;'a--'"  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
U%t/wq  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 }j(2Dl  
:sVHY2x  
:6j :9lYL2  
nlebFDb7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run L0mnU)Q}C  
Fv)
;5LD  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） qm}>J^hnB#  
~d%;~_n  
!ObE{2Enf  
i`KZ,   
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 +e8>?dkq  
90qj6.SQ  
总结 f3TlJ!!U  
H[7cA9FI  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ^~6]0$yJ  
1.模拟 `<}V !Lo  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 _0W;)v  
2.研究 U7"BlT!V\  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 @\T;PTD-  
3.优化 >GznG[Ku  
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。 (HaKF7Jsi  
4.分析 +|?|8"Qg  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 r[v-?W'  
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。 1n`1o-&l-  
D=~B7b:  
参考文献
B80odU&  
[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). B8UZ9I$n  
Itr7lv'5xx  
进一步阅读 -H4+ur JJ  
)t,{YGY#  
进一步阅读 P*SCHe'  
 获得入门视频 ?cO8'4 bq  
- 介绍光路图 pYfV~Q^3  
- 介绍参数运行 H9~%#&fF  
 关于案例的文档 ``|gcG  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens MV<!<Qmj  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens $Pd|6  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing _;e!ZZLG  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair