[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 97*p+T<yp  
TF\C@4Z  
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 =j]<t  
}o(-=lF  
mO7
]9p  
QA`sx
 
简述案例 $Ds2>G4c  
j</: WRA`]  
系统详情 +7.',@8_V  
 光源 5|s\*bV`  
- 强象散VIS激光二极管 T.BW H2gRP  
 元件 aB&&YlR=n<  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） *]) `z8Ox  
- 具有高斯振幅调制的光阑 K+3=tk]W9u  
 探测器 G5 WVr$  
- 光线可视化（3D显示） uw_Y\F-$  
- 波前差探测 ^jZbo{  
- 场分布和相位计算 "ze|W\Bv!  
- 光束参数（M2值，发散角） "<1{9  
 模拟/设计 SY\ gXO8k  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 #q=Efn
'  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 0'C1YvF  
 分析和优化整形光束质量 Ve; n}mJ?  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ;4|15S  
q>+k@>bk@  
系统说明 m-#2n? z-  
sDlO#  
YU'E@t5  
模拟和设计结果 Wh*uaad7  
VpDbHAg  
数值探测器结果 n{mfn*r.  
gjDHo$  
0aB;p7~&  
eD6fpe\(  
0M[EEw3  
总结 !%c\N8<>GD  
q@8*
Xa>  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /*
mI<[xb  
1.模拟 @:#eb1<S  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 s.C_Zf~3  
2.评估 X l5 A 'h  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 8{sGNCvU  
3.优化 t'ql[  
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。 @\#td5'  
4.分析 %Q|Atgp  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 cVF"!.  
yY q,*<G  
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。 jNk%OrP]  
i8]S:49  
详述案例 SwMc pNo  
6j}9V L77  
系统参数 0 kW,I  
$>LQ6|XRu  
案例的内容和目标 oCz/HQoBk  
}BP;1y6-r  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 4.t-i5
  
9\7en%(M  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 N~'c_l  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ;:NJCuG  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Y}wyw8g/  
=UWI9M*sz  
模拟任务：反射光束整形设置 4o[{>gW  
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。 G"A#Q"  
F:S}w  
k8zI(5.>
 
w``U=sfmV  
]D\D~!R  
l*G[!u  
规格：像散激光光束 j0q&&9/Jj  
X^j
fuA  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 vnuN6M{  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 EfT=?  
dSHDWu&  

El8,,E  
1?l1:}^L  
[Y`W  
KMax$  
规格：柱形抛物面反射镜 _|`S3}q|d  
                         ?}Y]|c^W  
 有抛物面曲率的圆柱镜 p6S8VA  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 x]j W<A  
 曲率半径等于焦距的两倍 -XG@'P
_  
zfdl45  
MF'JeM;H  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） N?8!3&TiV  
#GFr`o0$^  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 iWR)ke  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） #KvlYZ+1  
 离轴角决定了截切区域 r<$y=B  
gjlx~.0d  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ~&uHbTq  
1|:KQl2q  
   c &c@M$  
h{qgEIk&  
光束整形装置的光路图 #<x
m.  
[nh>vqum  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 D2O~kNd  
 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。 K(|}dl:  
f6p/5]=J26  
反射光束整形系统的3D视图 y
f,z$CR  
+ZX{>:vo   
qe\5m.k  
vP,n(reM  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 5bb(/YtFy  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 ~$J2g  
"r2 r  
详述案例 ?V=CB,^  
9- #R)4_  
模拟和结果 Dt1jW  
Gq P5Kx+=  
结果：3D系统光线扫描分析 wuo,kM  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 VxBo1\'  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 19] E 5'AI  
}-2|XD%]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd s#GLJl\E_P  
l+b~KU7~l  
使用参数耦合来设置系统 {4PwLCy  
u%!@(eKM-  
;FEqe49  
自由参数： 2&5K.Ui%  
 反射镜1后y方向的光束半径 [N'h%1]\  
 反射镜2后的光束半径 O".=r}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） qxj(p o  
 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。 wgA_38To  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 cH)";]k*-  
e}W)LPR!  
5IG-~jzCLb  
5-A\9UC*@  
7[wPn`v2  
"wc<B4"  
`0R./|bv\I  
自由参数： 4P
o_-4  
 反射镜1后y方向的光束半径 i-&yH  
 反射镜2后的光束半径 d d;T-wa}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） f *)Z)6E  
 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。 :zR!/5  
6H|S;K+  
)pn3~t<ed  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 :
E?V.  
g\AY|;T  
BJ0?kX@  
结果：使用GFT+进行光束整形 &m vSiyKX  
FgO)DQm  
bPMhfK2 %  
[00m/fT6  
-K$)DvV^(E  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 !!ya  
yLcEX  
DTs;{c  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 0CvUc>Pj`"  
i6N',&jFU  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 2?i7
UvV  
GKCroyor  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： jh$='Gn  
azU"G(6y?+  
F1hHe<)  
PaN"sf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd S[QrS7  
jFb?b6b  
结果：评估光束参数 H[|~/0?K  
3M=  
Wez5N  
 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。 H']+L~j  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 |&jXp%4T  
{:W$LWET  
SY8C4vb'h  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 9ll~~zF99|  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） 8r!zBKq2~  
"h ^Z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd _aMF?Pj~m  
Qci]i)s$js  
光束质量优化 'W#D(l9nI  
?hM64jI|  
>i O!*&Y>  
 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。 O1kl70,`R  
 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）。 { "E\Jcjl\  
)_NO4`ejs/  
结果：光束质量优化 BPHW}F]X  
E!AE4B1bd  
-%dCw6aX+  
 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。 p<;0g9,1  
'3H_wd  
Q
dC<Sk!G  
%07SFu#  
 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。） M@ZI\  
KGpA2Nx  
L
h<).<S  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd F
GQzoS  
E~:x(5'%d  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 &VcV$8k  
m4yL@d,Yw  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 TOAAQ  
;UP$yM;  
snikn&  
 这意味着参数变化是的正态 'Z|mQZN  
>"<Wjr8W!$  
4Z,!zFS$`  
]0\MmAJRn  
CWS4lx  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 4H<lm*!^  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ri.I pRe  
V470C@  
Xs?o{]Fe  
)F2OT<]m,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
!Rt>xD  
H7j0K~U0  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） !?gKqx'T$  
/H==Hm/  
GM<-&s!Uj  
fd2T=fz-  
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。 6MkP |vr6  
B93+BwN>95  
总结 Tu7QCr5*  
-D$8  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 O1mKe%'|  
1.模拟 ia 73?*mXT  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 >e"#'K0?\  
2.研究 jalg5`PU0  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 VU d\QR-  
3.优化 xF44M]i  
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。 &JI8]JmU)  
4.分析 b>N8F^}~O  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 K6)j0]K1  
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。 Ez=Olbk  
UZsH9 o  
参考文献 ^ovR7+V  
[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). ]P?vdgEM&  
(ICd}  
进一步阅读 9 |vLwQ  
hfy_3}_  
进一步阅读 cjIh}:|'  
 获得入门视频 tC9n k5~  
- 介绍光路图 >J>[& zS  
- 介绍参数运行 w)Qp?k d  
 关于案例的文档 7x4PaX(  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Np0u,t%vs  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 46&/gehr  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing *ppffz  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair