[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ]H`wE_2tu  
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@Rqm:e  
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 :GvC#2p  
[_N1 .}e  
s$y_(oU,D  
kn#?+Q  
简述案例 3P_.SF  
PvKG
B01_  
系统详情 ;&lXgC^*  
 光源 su0K#*P&I  
- 强象散VIS激光二极管 .)*&NY!nsl  
 元件 P, x"![6  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） x]VycS  
- 具有高斯振幅调制的光阑 MpKXC  
 探测器
HSud$(w  
- 光线可视化（3D显示） $#^3>u  
- 波前差探测 G-CL \G\n  
- 场分布和相位计算 FC 8<D  
- 光束参数（M2值，发散角） E2Sj IR}  
 模拟/设计 4n#u?)  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 mjOxmwo  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： {UH45#Ua  
 分析和优化整形光束质量 u`EK^\R  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 a,rXG

 
/@"mQx~[q  
系统说明 y0O(n/  
hLfWDf*T|  
r6j[C"@  
模拟和设计结果 s?<FS@k  
%g*nd#wG  
数值探测器结果 $%U}k=-  
 7]@M  
3SM'vV0[  
C,;?`3bH@  
D~inR3(}  
总结 Gb2|e.z  
^uX"04>;  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 K*^'tltJ  
1.模拟 Qc33CA  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 M5[#YG'FlQ  
2.评估 lf\"6VIsR  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ks$5$,^T2o  
3.优化 '>[ZfT  
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。 Z4z|B&  
4.分析 )fXxkOd  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 `-nSH)GBM  
vkLt#yj~  
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。 @MQfeM-@  
,!SbH  
详述案例 kFJ]F |^7  
};2Lrz9<  
系统参数 va~:Ivl-)  
e?\Od}Hbw  
案例的内容和目标
]Y & 2&  
Y&VypZ"G>  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ldG8hK  
0$XrtnM  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 YTgT2w  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 _2k<MiqCD[  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 b5p;)
#  
)p!") :'fv  
模拟任务：反射光束整形设置 b%VBSNZ
 
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。 KW0KXO06a  
WbFCj0  
v&sp;%I6=  
9~,!+#  
YC{7;=Pf  
r
I)&.5^  
规格：像散激光光束 yl<=_Q  
YU87l  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ),<h6$  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 1_~'?'&^  
E?0RR'  
54JI/!a  
$ z+ =lF  
cP21x<n  
wMH13i3  
规格：柱形抛物面反射镜  z_C7=ga<  
                         xAsy07J?  
 有抛物面曲率的圆柱镜 +SRM?av  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Mi!ak  
 曲率半径等于焦距的两倍 sx9[#6~{Y  
-r_Pp}s  
/Wjf"dG}  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） '?|.#D#-c  
5o|u!#6  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 V6<Ki  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Q
D[l 6  
 离轴角决定了截切区域 yErvgf  
D@mqfi(x  
规格：参数概述（12° x 46°光束） (w'k\y  
.Vq_O u  
   I>3G"[t
 
`tsqnw  
光束整形装置的光路图 ~m'8BK  
el0W0T  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 aG1[85:,\i  
 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。 =1kjKE !  
iu,Bmf^oD  
反射光束整形系统的3D视图 LD5E  
{QLqf  
%hzNkyD)Y  
wa9{Q}wSa  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 #`Et{6WS  
 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）。 fI(H :N  
X/wqfP  
详述案例 j@s,5:;[  
~R W6;  
模拟和结果 M8lR#2n|  
#^/&fdK~A  
结果：3D系统光线扫描分析 [2
6([H  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 xZ"kJ'C4}  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Q ?W6  
w3IU'(|G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;,&1  
=mk7'A>l  
使用参数耦合来设置系统 Z.0^:rVp~  
k}Vu!+cz  
>7V&pH'  
自由参数： fx4X!(w!B  
 反射镜1后y方向的光束半径 RT2a:3f  
 反射镜2后的光束半径 <tTn$<b  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） KH&xu,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。 , v6[#NU_Z  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 e{9(9qE"  
`Uw^,r  
LNU9M>  
BO ^T :  
L7*~8Y  
oM-@B'TK  
gasl%&  
自由参数： MhB kr{8  
 反射镜1后y方向的光束半径 N|1k6g=0  
 反射镜2后的光束半径 F3a"SKMW  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (sn|`k3I  
 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。 *%cI,}%   
r,
b-c  
jX{lo
  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 T[eTT]Z{Ia  
@ B3@M  
|^@TA
=_  
结果：使用GFT+进行光束整形 VG\ER}s&P  
ziy~~J  
TO)wjF_  
Nr7MSFiL  
I#f<YbzD  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 FUm-Fp  
4oOe  
hD l+  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 (F7!&]8%  
?P`]^#  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ?(U> )SvF  
@v2kAOw[  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： +3t(kQ  
")(1z@  
Q_1EAxt  
f=J#mmHw$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd q^dI!93n|  
ipKk
z  
结果：评估光束参数 /{1xpR  
8'#%7+ "=!  
Ef$xum{  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 )CXJRo`j0  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 z/rN+  ,  
S3j/(BG  
XUUS N  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 Q.6pmaXrb  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） fwxyZBr  
R_4600  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd *Xl&N- 04  
.6OE8w 1  
光束质量优化 O*yc8fUI  
[?Aq#av  
P
RX:*0  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 kRE^G*?  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 S)$ES6]9/  
|TEf? <"c  
结果：光束质量优化 <h7C_^L10\  
0t*q5pAG".  
w>VM--  
 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。 18ci-W#p  
"W:'cIw  
{My/+{eS!?  
&sWqSS  
 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。） {n%F^ky+7  
Q} f=Ye(&}  
d%4!d_I<  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd a*S4rq@  
WGVvBX7#  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ga~rllm;i  
&Cdk%@Tj]B  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ]eP&r?B  
3Xf}vdgdM$  
T
6-e  
 这意味着参数变化是的正态 $N5}N\C:a  
M.!U;U<?  
xk.\IrB_  
1c+[S]7rY  
t~ Q{\!  
 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。 A'6>"=ziP  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ^^)D!I"cA,  
}r*t V)  
OZLU>LU  
@y)-!MHN(8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run _i6G)u&N  
xC!,v 0&  
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） e/F=5_Io  
I`E9]b(w  
07# ~cVI  
g5X+iV  
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。 m_Z%[@L  
Bk>Ch#`Bw  
总结 gn#4az3@e>  
{&"rv<p  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Qy5\qW'  
1.模拟 (?I8/KYR  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 *#+XfOtF  
2.研究 Iz!Blk  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 N 0&h5  
3.优化  R.*KaCA  
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。 N6EH  
4.分析 -`FTWH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 kOx2P(UAEx  
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。 m(XcPb  
X9#Od9cNaC  
参考文献 W!2(Ph*  
[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). dBX%/  
NHPpHY3^.  
进一步阅读 W(1p0|WQ:  
e ,k,L  
进一步阅读 ,57g_z]V  
 获得入门视频 IdUMoLL?  
- 介绍光路图 y
7|x<Z  
- 介绍参数运行 DL_2%&k/  
 关于案例的文档 |u<qbl  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens c*9RzD#Zj  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens FG38)/  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing q[] "`?  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair