[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） d4% `e&K]'  
e& p_f<  
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 B%2L1T=  
RA}U#D:$i  
NWb} OXK/  
xM%`KP.8X  
简述案例 |G)Y8 #D  
pFEZDf}:  
系统详情 YsZ{1W  
 光源 bI#<Ee0nJ  
- 强象散VIS激光二极管 gA{'Q\  
 元件 Yg[ v/[]  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 0~qf-x  
- 具有高斯振幅调制的光阑 wZ$tJQO  
 探测器 abL/Y23 "  
- 光线可视化（3D显示） RZW$!tyI=  
- 波前差探测 |PI)A`  
- 场分布和相位计算 :fRmUAK%  
- 光束参数（M2值，发散角）
6k:y$,w  
 模拟/设计 qFrt^+@  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 E(% XVr0W  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： u
ji
ZM  
 分析和优化整形光束质量 '/ihL^^@L  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 8^8>qSD1  
l<W*/}3  
系统说明 h4tC. i~k  
)@!~8<_"  
L{Q4=p,A  
模拟和设计结果 3R'.}^RN  
l6V%"Lo/)  
数值探测器结果 "\4]X"3<+  
&S<?07Z  
y!SF/i?Py  
=Na/3\^WP  
V_Xy2<V  
总结 nDyvX1]  
XpR.rq$]  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "|F.'qZrm  
1.模拟 #m[vn^8B]y  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 m{vT_ei  
2.评估 ZyHIMo|  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 f9vcf# 2  
3.优化 w
u;7NatHx  
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。 Lwp-2`%  
4.分析 XI]OA7Zis  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ylkpYd  
lr`?yn1D(  
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。 be&6kG  
MhHr*!N"}  
详述案例 l?})_1v,R  
}PtI0mZ1  
系统参数 A(q~{  
FTbT9   
案例的内容和目标 8rGl&  
2^cAK t6bC  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 #:]vUQ  
5tN%a>D%  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 o~Bk0V
=  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Tq9,c#}&  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 :|?~B%-p[  
;n3uV`\  
模拟任务：反射光束整形设置 |}M~kJ)  
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。 *d^9,GGn-  
!8wZw68"  
imo'(j7  
X=fPGyhZ  
`DI{wqV9  
)3k)2XF  
规格：像散激光光束 gcX5Q^`a=  
}9MW!Ss  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 {[l'S  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7'-)/Pk  

{fAh@:{@  
)fxo)GS  
M
/n[&  
Hi9 G^Q  
B(S5+Y  
规格：柱形抛物面反射镜 sqm%iyC=q  
                         /uy&2l  
 有抛物面曲率的圆柱镜 vN{vJlpY  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 w:m'uB%W  
 曲率半径等于焦距的两倍 N2[, aU  
+}Qv6s#  
F7k4C2r  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 0-8ELX[#  
$=\oJ-(!@S  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 @/_
XS4  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） x(C]O,  
 离轴角决定了截切区域 X
 !&"&n  
H j>L>6>  
规格：参数概述（12° x 46°光束） / e~  
e1f^:C  
   S#dyRTmI  
!1ie:z>s  
光束整形装置的光路图 tEi@p;Z>  
!m
w{T D  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 =2ATqb"$w  
 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。 NTpz)R  
r?Ev.m  
反射光束整形系统的3D视图 ANA2S*r  
*X-~TC0 [  
]pM5?^<~  
kw*Cr/'*  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 LM'*OtpDG  
 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）。 zJB+C=]D7H  
Li?{e+g  
详述案例 %xH
>0  
jzu l{'g  
模拟和结果 Og&0Z)%  
n:}MULy;  
结果：3D系统光线扫描分析 d\1:1
ucV  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 IkE'_F  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 S2{ ?W  
EkfGw/WDw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd a$+e8>  
K'{wncumQ  
使用参数耦合来设置系统 oKMg7 3*  
S`'uUvAA  
,M+h9_&0?  
自由参数： EmBfiuX  
 反射镜1后y方向的光束半径 Oy?iAQ+  
 反射镜2后的光束半径 :5q*46n  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） z-{"pI  
 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。 O*+w_fox  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 gZ79u  
IdC k  
Poylq]F  
8WLh]MD`  
34O+#0<y~  
N2S!.H!Wz  
( .6tz  
自由参数： 9X^-)G>  
 反射镜1后y方向的光束半径 'nmYB:&!  
 反射镜2后的光束半径 x.yb4i=Jq  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） a#^4xy:  
 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。 LcQ\?]w`]  
_UbR8  
!O%f)v?  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 'Rar>oU  
Z?G3d(YT  
X\^3,k."  
结果：使用GFT+进行光束整形 .q;RNCUt  
D$
^7Xhk  
8
xGkh?%  
N;Gf,pE  
!gA^$(=:"  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 hTNYjXj  
1<Ztk;$A
 
-7Y'6''~W.  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 D4x'  
`A}{ I}xq  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 5SP
l#*W  
*b7 ^s,?  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： <?`e9o  
S+\Mt+o  
f*R_\  
khO<Z^wi[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4VL!U?dk  
a1Y_0  
结果：评估光束参数 <3]/ms  
<pa];k(IQL  
k3htHCf*G$  
 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。 0%L$TJ.''  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 P^{`d_[K%  
rq|czQ  
`S!uj <-  
 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。 3T#3<gqM[  
 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） 6T'43h. :  
CEJG=*3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd uS+b* :  
E4fvYV_ra  
光束质量优化 #| e5  
9?mOLDu}Q0  
$EHn;~w T  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 '&L   
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 z%-"'Y]  
/URj$|  
结果：光束质量优化 @eD~FNf-]  
?9.?w-Q'  
*{n,4d\..  
 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。 MyR\_)P?  
t"@|;uPAu  
%Z
i,nHg8  
<8}9s9Nk  
 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。） &I">{J<  
pmXWI`s  
}&^bR)=  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd %4g4 C#  
dodz|5o%  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 BqJ
rL/(  
~#xs `@{s  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ZCq\Zk1O&  
PyJblW  
|HIA[.q  
 这意味着参数变化是的正态 'aSORVq^e[  
+GEKg~/4e  
63\>MQcLy  
GTX&:5H\t  
pF{Ri  
 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。 Gl\RAmdc  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 h-u*~5dB<&  
2/W0y!qh1  
]$X=~>w  
>}`1'su  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ry=[:\Z~  
J-,X0v"  
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） Wa<NId  
O4+w2'.,  
%JU23c*  
%x)U8  
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。 Lgw@y!Llij  
zL=I-fVq  
总结 Jrrk$0H^~  
*^m.V=  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 -CNv=vj 3  
1.模拟 Hq
y>!1!  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 T</gWW  
2.研究 l`G:@}P>G  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Y2~{qY  
3.优化 z^a?t<+  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 B#lj8I^|  
4.分析 =<tEc+!T3  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 O[J+dWyp  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 ~w%+y  
!,WRXE&j  
参考文献  o=
5uM  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 2{q
G  
]nGA1S{  
进一步阅读 Q^;\!$:M  
f\_Q+!^  
进一步阅读 ijS
YQ  
 获得入门视频 "K=)J'/n  
- 介绍光路图 `t"Kq+  
- 介绍参数运行 %&S]cEw  
 关于案例的文档 l"g%vS,;`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
$G.|5sEk  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 9%veU
vY  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing eesLTyD2_  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair