[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） r/@Wn  
/;TtMQt  
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 "bB0$>0,  
)G;Hf?M  
R! n7g8I%  
=7#"}%4Q  
简述案例 $E!f@L  
~N/a\%`  
系统详情 f~,Ml*Zp  
 光源 k'*vG6!  
- 强象散VIS激光二极管 |26[=_[q  
 元件 ?~IdPSY  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） K-"`A.:S  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ujl?!  
 探测器 &E
YoviFp  
- 光线可视化（3D显示） |3~]XN-  
- 波前差探测 +]( #!}oH  
- 场分布和相位计算 E^gN]Z"O  
- 光束参数（M2值，发散角） &*E! %57  
 模拟/设计 $BT[fJ'k  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 >6[d&SM6  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ho)JY $#6  
 分析和优化整形光束质量 o~W,VhCP
 
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 15En$6>  
..k8HFz>"  
系统说明 azNv(|eeJL  
(`_fP.Ogb  
yye5GVY$  
模拟和设计结果 2#00<t\  
WMW=RgiW\  
数值探测器结果 ^7*7^<  
G;J)[y  
T@`
Al('  
f& \Bs8la  
DajN1}]  
总结 b
o@ ?`5  
Q&+)Kp]A  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
R#.H&#  
1.模拟 CW/<?X<!n  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 7 , _b  
2.评估 T$AVMVq  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ]T&d_~l   
3.优化 49<t2^1q  
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。 hSXJDT2  
4.分析 a1Q%Gn@R  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 l]#=I7 6  
s[dIWYs#  
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。 H'7s`^- >I  
_<DOA:'v  
详述案例 qJf\,7m
i  
$.:x3TsA  
系统参数 {~j/sto-:  
[
)dIt@Y&j  
案例的内容和目标 *9w-eK1{  
cH4PrMm&  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 KZ%us6  
5W&L cBB  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Jw&Fox7p  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 r:g
_mMvB  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 $-~"G,;F  
,FH1yJ;Y&  
模拟任务：反射光束整形设置 km][QEX
s%  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 tJn"$A^N  
u<N`;s  
e=s85!  
XJKns
  
r\FZ-gk}Q  
md? cvGDE  
规格：像散激光光束 sWMln:=  
'1xhP}'3)  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ?G!~&  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 C2\WvE%!  
GA/afc,V  
o1?-+P/  
?*yB&(a:8  
7:Rt) EE2  
C984Ee  
规格：柱形抛物面反射镜 0!KYi_3  
                         ~e]B[>PT  
 有抛物面曲率的圆柱镜 pwS"BTZ  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 5GgH6  
 曲率半径等于焦距的两倍 GoAh{=s  
*]h"J]  
' Q(kx*;  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） SdYbT)y  
^);M}~  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 |HYST`  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） E{e  
 离轴角决定了截切区域 n-],!pL^  
]];pWlo!  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Njr;Wa.r+  
Zlh 2qq  
    :TR:tf  
&Xh>w(u  
光束整形装置的光路图  bKK'U4  
)!cucY  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 "+Ys}t~2  
 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。 7CSz  
Im!b-1  
反射光束整形系统的3D视图 Bos} `S![  
Y<(7
u`F  
V_D wHq2  
g-_=$#&{  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 TQNdBq5I6  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 ts@Z5Yw*!  
tc)Md]S  
详述案例 im9EV|;  
k\;D;e{  
模拟和结果 ~TXu20c  
p-)@#hE  
结果：3D系统光线扫描分析 0zT-]0  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 3`{;E{  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ::iYydpM  
=q)+_@24>d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd z;2& d<h  
vO&X<5?Qc  
使用参数耦合来设置系统 l;A'^  
#>\
SK  
bma.RCyY<  
自由参数： ]3,  
 反射镜1后y方向的光束半径 LVm']_
K(f  
 反射镜2后的光束半径 O-)[!8r  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） T ,!CDm$=  
 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。 *{k
{  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ss}-YnG  
.|g@#XIwe#  
NB'G{),)Z  
D]aQt%TL  
Gf
9sexn]l  
d}Guj/cx,  
@&&}J  
自由参数： (jhi<eV  
 反射镜1后y方向的光束半径 )m8Gbkj<  
 反射镜2后的光束半径 IBeorDIZ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） wme#8/eUk  
 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。 l<4P">M!.  
k:j_:C&.  
l
59 N0G  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Cg~1<J?2  
V_m!<sr(  
ml^=y~J[  
结果：使用GFT+进行光束整形 fJ5mKN  
||TZ[l  
_K{-1ZYsi  
`uk=2k}&m  
}1[s,  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 \>wQyz  
8au Gz ,"  
W.cc!8  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 8jL^q;R_(  
M=95E$6  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 z^T;d^OJc  
 E^5  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： fibudkg'>  
Qnt}:M+  
40`Qsv0#  
Wf5;~RJC?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {g`!2"  
4|5;nxkGm8  
结果：评估光束参数 NT5##XOB  
f_LXp$n  
!t~tIJ>6  
 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。 V9Mr&8{S4  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 us1$  
W-|CK&1  
LD NdHG6  
 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。 g{sp<w0  
 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） 
[:(O`#  
sUmpf4/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd `W_&^>yl  
[Y.JC'F#  
光束质量优化 U=j`RQ 9,  
n{~&^Nby*I  
$0P16ZlPC  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 R1Q,
m  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 Q<MxbHk9  
s 72y
u}  
结果：光束质量优化 JBOU$A~  
k'&1,78[l  
=N\$$3m?  
 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。 3*j1v:x`  
ThW9=kzQW  
L>WxAeyu1K  
Q"eqql<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。） G.@K#a9  
[N%InsA9k  
A/}[Z\C  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd (vi^ t{k  
sh`3${  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 x5smJ__/  
;O~FiA~`c  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 <jYyA]Zy5  
:2NV;7Wke6  
%
" mki>  
 这意味着参数变化是的正态 U1/ww-!Z  
'x?|tKzd  
d!Y%7LmSE@  
Gf.xr%mUZr  
jVGAgR=[G  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 %RF$Y=c'C  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ;QCGl$8A  
&,Loqr  
&6Lh>n(  
]{{%d4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 32anmVnf  
4$N,|bt  
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） =F/R*5:T  
;$$w`LyP  
[4B(rra  
|d6/
gSiF  
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。
1g,gilc  
!{(crfXB  
总结 +gBDE:  
(=gqqOOl~  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 (k"0/*F4_  
1.模拟 `-b{|a J  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 'aD"v>  
2.研究 Sa.nUj{M=  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Oo(xYy  
3.优化 gw
g~4:W  
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。 .9g :-hv  
4.分析 @{3_7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 VTDnh*\5  
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。 ^:f)XZ  
HJ"sK5Q  
参考文献 )NZ&m$I|-  
[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). 5OOXCtIKf  
RASk=B  
进一步阅读 SnvT !ca  
"~6&rt  
进一步阅读 ix?Z:pIS0  
 获得入门视频 &lzCRRnvt  
- 介绍光路图 ?aTC+\=  
- 介绍参数运行 VRY@}>W'  
 关于案例的文档 ab)ckRC  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens #zSNDv`  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens _x!/40^G  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
}PDtx:T-  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair