[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） n|AV7c  
+jN%w{^=  
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 P1IL]  
~3,k8C"pRq  
$Z[W}7{pt#  
'jj|bN  
简述案例 mq6TwM  
gvu1  
系统详情 '4]_~?&x  
 光源 <%GfF![v  
- 强象散VIS激光二极管 zyPc<\HoK  
 元件 \zx$]|AQ  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ds;c\x  
- 具有高斯振幅调制的光阑 g8L{xwx<  
 探测器 c01i!XS  
- 光线可视化（3D显示） y`8bx94jB  
- 波前差探测 w$4*/D
}Y  
- 场分布和相位计算 hG8<@  
- 光束参数（M2值，发散角） EUjA-L(  
 模拟/设计 ?{rpzrc!*  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 wjc&S'[  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： M~,N~ N1  
 分析和优化整形光束质量 Vh'
H =J  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 W|4h;[w  
Q]hl+C$d"/  
系统说明 GiS:Nq`$(  
N97
7F$Bo  
(L'|n*Cr  
模拟和设计结果 U\GuCw  
nR`)kORc  
数值探测器结果 ?'RB
'o~  
HvLx  
$L"h|>b\o  
)];Bo.QA  
CRs@x` 5ue  
总结 FW)VyVFmk  
p-XO4Pc6  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Z~1uyr(  
1.模拟 \qz! v  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 \dJOZ2J<z  
2.评估 Nk;ywC"e;  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 TXo`P_SE  
3.优化 ;b_l/T(  
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。 nZ %%{#T7  
4.分析 gfJHB3@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 $0XR<D  
\wF-[']N  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 X.+|o@G  
}inV)QQ  
详述案例 IxaF*4JG  
%ty`Oa2  
系统参数 \![ p-mW{  
Y49&EQ  
案例的内容和目标 +t%1FkI\  
3 #"!Hg  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 )kDB*(?  
-G(#,rXk  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 (0E<Fz V  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 1pAcaJzf  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 otX/sg.B*  
 ZvwU  
模拟任务：反射光束整形设置 Cy dV$!&mP  
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。 qe'RvBz  
uHq;z{ 2GI  
+U)4V}S)  
1my1m  
:!Nx'F9a  
{gh<SZsE  
规格：像散激光光束 9yz@hdG  
dhjX[7Bl9  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 2"HG6"Rr  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ! (Q[[M  
vXm'ARj  
G*_qqb{B  
0S96x}]J B  
C_Z/7x*>d  
[&g"Z"  
规格：柱形抛物面反射镜 N\|BaZ%>|  
                         ;Yt+{pI  
 有抛物面曲率的圆柱镜 fN/;BT  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 !yd]~t 5Q  
 曲率半径等于焦距的两倍 ] n\]ao  
}Ogb|8  
D?=4'"@v  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） W-*HAS  
6_:I~TTX  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 5'(T*"  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） `~z[Hj=2  
 离轴角决定了截切区域 f `D(V-4  
k*v${1&  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Zrp-Hv27,,  
+#\7 #Y  
   zU0SlRFu  
#m17cDL  
光束整形装置的光路图 ]&N>F8.L+  
!C h1q  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 `5e{ec c7  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 |]9L#  
uq;yR[w"  
反射光束整形系统的3D视图 y+Hz(}4  
Z~<=I }@  
)E}@h%d  
}LeS3\+UHl  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 I&m' a  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 q#@r*hl  
3H0B+F2XQ  
详述案例 no W]E}nN  
T:@7EL  
模拟和结果 QM* T?PR  
"}wO<O6[  
结果：3D系统光线扫描分析 ,<Z,-0S  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 wZN_YFwQ  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 .xuzu#-  
#4lIn
a%VX  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !^ad{#|X  
_6V1oe2  
使用参数耦合来设置系统 reNf?7G+m  
V[uSo$k+>  
vS)>g4  
自由参数： s2<[@@@q  
 反射镜1后y方向的光束半径 L
~^5Ez6U  
 反射镜2后的光束半径 Dk>6PBl  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） "l9aBBiu  
 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。 +wJ!zab`  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 JSi0-S[Y{  
;-XfbqZ\  
@"MQ6u G>  
]ly" K!1,  
tv.<pP9-C  
#4b]j".P!n  
yW(|auq  
自由参数： n=bdV(?4  
 反射镜1后y方向的光束半径 ruGeN  
 反射镜2后的光束半径 R"9wVM;*c  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） as|w} $  
 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。 D[#V  
M:{Aq&.  
];4!0\M
 
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 FOk;=+  
as!a!1  
w3ni@'X8  
结果：使用GFT+进行光束整形 KMz!4N  
BkGExz  
pm,xGo2  
}ePl&-9T  
P3
: t 4^  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 y:}qoT_.  
 L"%SU  
l"%80"zO  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 p/?o^_s  
DegbjqZ#  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 @$T$hMl  
No} U[u.O  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： `H6~<9r  
Mh4MaLw  
%Qlc?Wl:  
3g;,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd #aU!f"SS  
T1$E][@Iv  
结果：评估光束参数 P+}~6}wJE  
Q`<{cFsU  
UGI<
V!  
 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。 robg1  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 qrYbc~jI7  
$vfgYl4q  
o#e8 Piw  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 32<D9_  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） /oHCV0!0  
&Y=0 0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ERV]N:(  
d@$|zr6  
光束质量优化 >ep<W<b  
#@$80eFq  
fUkqhqe  
 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。 M}x%'=Pox  
 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）。 /;#kV]nF  
uLS]=:BT  
结果：光束质量优化 05q760I+  
gmRc4o  
)N&SrzqTK  
 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。 !S':G  
:rVR{,pL  
1+;bd'Ie  
II=`=H{  
 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。） q()o|V  
N|DI k  
112WryS  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd rM
DvnF  
PN l/}'  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Swhz\/u9  
9efDM  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ]`&_!T  
6(bN*.  
@|a
nu&Hm  
 这意味着参数变化是的正态 j%Au0k
 
yS W$zA,  
1_]X  
9&eY<'MgP  
;{sZDjev>  
 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。 i-OD"5a`  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 N>H@vt~  
STW?0B'Jr  
[Km{6L&  
O2{["c e  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run |IcW7(  
[gmov)\c  
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） X
Hk
"nbj  
*/;7Uv7  
ttsR`R1.k  
\Ggh 95y  
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。 jq,M1  
%} ``:  
总结 9Y:I)^ek  
!/XNpQP  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @
Lnv  
1.模拟 bw P=f.  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 PlkZ)S7C  
2.研究 p3=Py7iz  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 M}\h?s   
3.优化 O+}py{ st  
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。 |U|>YA1[b  
4.分析 u9hd%}9Qd?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 
,UY1.tR(  
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。 i/9iM\2  
c;VqEpsbl  
参考文献 -#|;qFD]  
[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). lmeTW0U@9(  
}(nT(9|  
进一步阅读 ..)J6L5l  
>@2<^&K`  
进一步阅读 WO qDW~  
 获得入门视频 A(FnU:  
- 介绍光路图 T8o](:B~  
- 介绍参数运行 .4+Rac  
 关于案例的文档 d?fS#Ryb  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens DSU8jnrL  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens =tOB fRM  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing cRT'?w`}  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair