[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 1V**QSZ1  
lNaez3  
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 n.a=K2H:V  
=> uVp  
GIC"-l1\  
cPx~|,)l  
简述案例 O&3r*vd  
y/@;c)1b9  
系统详情 6>=-/)p}  
 光源 Ql q#Zdru  
- 强象散VIS激光二极管 r%
TLv  
 元件 AY&9JSu6  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） n~,]KdU]  
- 具有高斯振幅调制的光阑 k,;lyE  
 探测器 TRk ?8  
- 光线可视化（3D显示） qP;{3FSkAF  
- 波前差探测 )l!J$X+R  
- 场分布和相位计算 hB P$9GR  
- 光束参数（M2值，发散角） r;cI}'  
 模拟/设计 rysP)e  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 + 9\:$wMN  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： NoJnchiU  
 分析和优化整形光束质量 C`NBHRa>  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 W(&Go'9e"  
>}<29Ii  
系统说明 *`+<x  
~{7zm"jN  
B?$01?9V  
模拟和设计结果 IW1GhZ41'  
`P^u:  
数值探测器结果 ~j/bCMEf!  
Q? <-`7  
)g9)IF  
~^lH ^J  
3{NaZIk  
总结 ;g: UE  
+,&m7L  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )
|U_Z"0H^  
1.模拟 Q^a&qYK  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 5T$
}Oy1  
2.评估 +=ZWau   
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 qs6Nb'JvQR  
3.优化 0kU3my]  
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。 OwG6i|q  
4.分析 gt =j5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 TJHN/Z/  
:`+|'*b(A  
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。 <O
 \tC81  
&K5C=]4  
详述案例 t{/:(Nu  
Zz"I.$$[M  
系统参数
l;XU#6{  
zyaW3th  
案例的内容和目标 ZB~l2  
u:_sTfKm&  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 GXT]K>LA
 
D ?Nd;[  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 \ V[;t-  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 x`]Ofr'  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 zb"rMzCH  
%==G+S{  
模拟任务：反射光束整形设置 y]yine  
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。 Wc~3^;
U  
siZr@g!L  
FWuw/b$  
M:R8<.{  
O!:QJ ^8d  
7n\ThfH{  
规格：像散激光光束 ~
'NX~<m  
gO+\O  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 }czsa_  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5JS ZLC  
8{R&EijC  
J6*f Uh  
;c1relR2  
F(d:t!  
TG1P=g5h  
规格：柱形抛物面反射镜 yt. f!"  
                         8$\Za,)g  
 有抛物面曲率的圆柱镜 t
(}/g  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 rVUUH!  
 曲率半径等于焦距的两倍 inYM+o!Ub  
2Oyy`k  
`-4'/~G  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 9Hu d|n  
XAkK:}h  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 y|^EGnaE  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）  ( :  
 离轴角决定了截切区域 haCKv   
ERF,tLa!  
规格：参数概述（12° x 46°光束） vwVVBG;t  
y>$1UwQ  
   +fM&su=wl  
4avc=Y5  
光束整形装置的光路图 M~als3  
Q8;#_HE  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ZI,j?i6\  
 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。 tmp6hB  
eI^gV'UK  
反射光束整形系统的3D视图 &M[MEO`t8  
?KCivf  
)u0O_R  
lK*jhW?3:  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @}(SR\~N]  
 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）。 k=?^){[We  

EJ`Q8uz  
详述案例 |k6Ox*  
rIVvO  
模拟和结果 ur6e&bTp  
cJ. 7Mt  
结果：3D系统光线扫描分析 \ZMP_UU(  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 -j&
Vtr  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 qbb6,DL7J  
HMV)U
{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Rv<L#!; t  
m<{"}4'  
使用参数耦合来设置系统 qz`rL#W]  
_42Z={pZZq  
r!kLV)_  
自由参数： }~F~hf>s  
 反射镜1后y方向的光束半径 9*\g`fWc}{  
 反射镜2后的光束半径 =2%VZE7Vm  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +"8}R~`!  
 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。 V.8%|-d  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 %G[/H.7s-  
0Gsu  
"]#'QuR  
SNab   
(~&w-w3  
26.)Ur<F  
s]Gd-
j  
自由参数： zb:kanb-  
 反射镜1后y方向的光束半径 =IZ[_ /@  
 反射镜2后的光束半径 @}DFp`~5|  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） k][h9'  
 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。 #byJqy&e  
2n)gpLIJ  
NEVp8)w  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 XQ?fJWLU  

)3%@9  
,?(ciO)  
结果：使用GFT+进行光束整形 zTY;8r+  
SE)nD@:  
d>|;f  
Uw)=WImz[  
YJ,*(A18  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ?#BV+#(  
sn"fK=,#g  
O~PChUU*Y  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 fx)KNm8Lx  
xE1'&!4O  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 n@ [  
{DwIjy31T  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： TSjIz5  
,mKObMu  
{kL&Rv%'  
g^l RG3a  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /t5p-  
uel{`T[S  
结果：评估光束参数 f~ZEdq8  
0V`[Zgf  
LZ<[ll#C  
 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。 {@.Vh
]  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 "0Q1qZ  
U~H?4Izl=  
(3;@^S4&w  
 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。 BStk&b  
 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） "9XfQ"P  
5=L} \ankn  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd h@1!T  
 a]B[`^`z  
光束质量优化 !SxG(*u  
0L#/lDNk  

Vh
Eka#  
 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。 y
1pu R7  
 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）。 57Z-  
80;n|nNB  
结果：光束质量优化 Vrkf(E3_V  
Kat&U19YH  
i9A~<
 
 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。 Riry_   
%j+xgX/&  
ub K7B |p  
XP
3xJm3  
 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。） _
O]xey^r  
Q5a)}6-5  
nwmW.(R4  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd [[+ pMI  
|E3X  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 X+82[Y,mB.  
k)7{Y9_No  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 09h.1/  
W?Ww2Lo%Y  
=,V|OfW  
 这意味着参数变化是的正态 !{%&=tIZ  
cg{AMeW  
z#6?8y2-  
 QLKK.]  
l"+Jc1\X  
 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。 \6!W05[ Q  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 q3P+9/6  
<q2?S  
z-T{~{q  
=^;P#kX  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run h2Bz F  
}}
 ZY  
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） 19UN*g3(  
c&nh>oN  
|> enp>  
g(4bBa9y  
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。 .qv'6G  
r@G#[.*A>  
总结 [1yq{n=  
Ea $aUORm  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 c1XX~8  
1.模拟 a;AzY'R  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 &qM[g9  
2.研究 K9Hqq7"%  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 *%5{'  
3.优化 |CFRJN-J"  
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。 5Wx~ZQZ  
4.分析 mN_Z7n;^eh  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 0Q5^C!K  
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。 <%?#AVU[  
k@mVxnC  
参考文献 TFQ!7'xk)  
[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). j]rz]k  
Fr2N[\>s  
进一步阅读 Cfu=u *u  
V^s0fWa  
进一步阅读 %/%UX{8R  
 获得入门视频 l@Z6do  
- 介绍光路图 nw:-J1kWR  
- 介绍参数运行 i
A }vKQ  
 关于案例的文档  t+uE  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens -V.d?A4"  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens $.%rAa_H  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing E0n6$5Uc?  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair