[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） J<7nOB}OD  
5> =Ia@I   
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 
gz"I=9  
Dad*6;+N  
b/'RJQSAc  
4031~A8  
简述案例 1;y?!;FD  
;S^7Q5-  
系统详情 jX{t/8v/s4  
 光源 ~ny4Ay$#  
- 强象散VIS激光二极管 _cXLQ)-  
 元件 Kyq/o-
  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ]_P!+5]<  
- 具有高斯振幅调制的光阑 dK?vg@|'  
 探测器 q|wwfPez7  
- 光线可视化（3D显示） m=%WA5c?  
- 波前差探测 u6u1>  
- 场分布和相位计算 ,;-55|o\V  
- 光束参数（M2值，发散角）  k/}E(_e  
 模拟/设计 twJ)h :!_y  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 <Q?X'.  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： hKYA5]  
 分析和优化整形光束质量 NhA_dskvo  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 0=Z_5.T>  
I:%O`F  
系统说明 X'h J&-[P  
I^fKZ^]8P  
uWKc .  
模拟和设计结果 4V0j1k&'  

Z'L}x6  
数值探测器结果 hM @F|t3  
4zM$I  
Z&R{jQ,  
geRD2`3;  
K\]e
y;Bd  
总结 C~dD'Tq]  
}^ j"@{~  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @.Pe.\Z  
1.模拟 Q>}*l|Ci  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 @ \(*pa  
2.评估 bl;C=n  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 NbtNu$%t  
3.优化 h&}XG\ioNA  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 %XieKL  
4.分析  XVKR}I  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 lIj2w;$v  
P}+-))J  
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。 %2)'dtPD~  
LMmW3W`   
详述案例 sA u ;i  
EJrn4QOs  
系统参数 }
1>i  
*MFsq}\ $  
案例的内容和目标 lJloa'%v9  
g&30@D"  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 R8lBhLs  
s5TPecd  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 jJF(*D  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 aa1^cw 5}  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Q!<b"8V]  
tNI~<#+lg  
模拟任务：反射光束整形设置 U0/X!@F-  
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。 v]tbs)x;h  
W:^\Oe5&a  
BEkxH.   
PZQn]lbak  
(bk~,n_  
#Cda8)jl(  
规格：像散激光光束 nZbfc;da  
6jiz$x  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 /pvR-Id|6  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动  SoY=
  
A7!=`yA$  
i
v*Ft.1t  
OA??fb,b  
mRT`'fxK  
(0Xgv3wd  
规格：柱形抛物面反射镜 !`yg bI.  
                         ]R8}cbtU  
 有抛物面曲率的圆柱镜 !'()QtvC<  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 5__8+R  
 曲率半径等于焦距的两倍 u:Q_XXT5  
=8?gx$r2  
xe;1D'(   
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） &n.7~C]R  
_ FcfNF  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 G9.
+N~GZ.  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 0i2ZgOJ  
 离轴角决定了截切区域 !biq7f%6#  
=X?jId{  
规格：参数概述（12° x 46°光束） E}aTH  
ceDe!Iu  
   ]:B|_|H  
-t, .A/?  
光束整形装置的光路图 ?3wEO>u  
Z?H#=|U  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 OchIEF"N  
 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。 _ 13M
 
!A(*?0`  
反射光束整形系统的3D视图 @tvAI2W  
_e<3 g9bj  
8'Eu6H&$G  
0s"g%gq|  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 _VFxzM9f  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 )]"aa_20]  
>qjQ;z[  
详述案例 Zk*/~f|\  
~l~ai>/  
模拟和结果 /F;b<kIy8  
Y]ML-smN  
结果：3D系统光线扫描分析 ^PY*INv  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 __\Tv>Y  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 LHjGlBy  
>y%*HC!G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 1=x4m=wV  
/xmUu0H$R  
使用参数耦合来设置系统 v%|^\A"V  
XOQj?Q7)U  
&BnK[Q8X  
自由参数： lLy^@s  
 反射镜1后y方向的光束半径 #!d@;=[\  
 反射镜2后的光束半径 5`oVyxJ<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） pCOr{I\  
 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。 Qo>VN`v  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Yb8o`j+t  
Fv \yhR  
9H~3&-8&  
IKhpe5}  
6@`Y6>}$_  
k23*F0Dv  
Ur`Ri?
  
自由参数： 5I,5da  
 反射镜1后y方向的光束半径 R9X*R3nB  
 反射镜2后的光束半径 iX0s4  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） $gm`}3C<  
 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。 N5u.V\F!z\  
H
CHZB*r[  
|7Z7_YWs  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 (P {o9  
iGmBG1a\  
~C6Qp`VF  
结果：使用GFT+进行光束整形 J,ZvaF  
3dG[dYj  
1<RB}M  
$Yh7N5XH,  
,6U
lj+l  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 PDaD:}9  
Wu]Dpe  
/PbN!r<1  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Zf~Em'g"3  
"' g*_  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ydOJ^Yty  
j_ dCy  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： `N%q^f~  
FVOR~z  
PzThVeJ+  
n gA&PU  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ml$"C  
)8Defuxk  
结果：评估光束参数 `!<RP'  
epa)~/sA  
<`8l8cL  
 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。 OM,-:H,  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 D6 B(6 5Y  
}Z5#{Sd  
}r:H7&|&  
 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。 ,TY&N-  
 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<Q;3w`#1j  
.[Ezg(U}ze  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ]Z?$ 5Ks  
_JZS;8WYR  
光束质量优化 $CXKeWS=Q.  
-}nTwx:|5u  
GmoY~}cg~  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 p3Uus''V4  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 B\BxF6 y  
Ym~*5|  
结果：光束质量优化 "I.PV$Rxl  
5(kRFb'31F  
hawE2k0p(  
 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。 |U}al[  
/ 0Z_$Q&e  
A%S6&!I:(  
c%,~1l  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） X2PQL"`  
u\gPx4]4c  
][R
#Q;y<  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 3
(|8gWQ  
`* !t<?$i  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 alM ^ X  
$agd9z,&m  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 -s Iji)t  
yeQ6\yi  
8':^tMd  
 这意味着参数变化是的正态 ,1+AfI  
u'"VbW3u n  
595P04  
L$*sv.  
JA'C\  
 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。 Qx,jUL#2  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Zr`pOUk!4  
{L 7O{:J  
:BFecS&i5  
lc%2fVG-e  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run i^LLKx7M&  
0_7A <   
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） }r`m(z$z  
(9bFIvMc  
cnfjOg'\{  
rap`[O|l=  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 zX+NhTTB  
-:w+`x?XaB  
总结 }lZfZ?oAz  
d\Q~L 3x  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 vMOI&_[\z  
1.模拟 #kD8U#  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 FF]xwptrx  
2.研究 A8bDg:G1i  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 IyvJwrO  
3.优化 jr$
]kLY  
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。 +D ,Nd=/  
4.分析 9z)p*+rUK  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 A1`y_ Aj  
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。 Hk)IV"[R  
|FK##8  
参考文献 |> mx*G  
[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). =?Y%w%2  
.6I*=qv)NA  
进一步阅读 e$krA!
zN  
wm>I;|gA)  
进一步阅读 u_+64c_7  
 获得入门视频 RL=  
- 介绍光路图 }[a  
- 介绍参数运行 $ekJs/I&  
 关于案例的文档 7`,A]":;  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens %W!C  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ]F:5-[V#  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ~@8r-[  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair