[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） O9_1a=M  
e1E_$oJP  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 hY%} x5ntU  
>`a^E1)  
G~bDl:k`A  
v0! 1W  
简述案例 , .~k  
3(|,:"9g  
系统详情 %+,*$wk#*  
 光源 <-b9 )>  
- 强象散VIS激光二极管 wd<{%qK`{  
 元件 _->+Hjj ^  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ~Js kA5h|&  
- 具有高斯振幅调制的光阑 &fWC-|  
 探测器 RPf<-J:t  
- 光线可视化（3D显示） <]KQ$8dtD  
- 波前差探测 yp^k;G?_d  
- 场分布和相位计算 ^0cbN[~/ns  
- 光束参数（M2值，发散角） {r;_nMfH|[  
 模拟/设计 z80FMul
O  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Sew*0S(  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： irq{ 21  
 分析和优化整形光束质量 k+?gWZ\  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 9_jiUZFje  
.;Gx.}ITG6  
系统说明 +swTMR  
s !2Iui @  
Ri_2@U-  
模拟和设计结果 @#N7M2/  
UjoA$A!Od;  
数值探测器结果 \<`oW>  
U?{oxy_[2  
;
zo|. YD  
)D/,QWk  
'NCqI  
总结 j\bp#+  
6s~B2t:Y  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 %dW;P[0  
1.模拟 uF}dEDB|;  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 I}|a7,8   
2.评估 hF@%k ;I  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Il*!iX|23<  
3.优化 0k16f3uI   
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。 aN07\  
4.分析 hbvcIGaT  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 =j- ,yxBvJ  
et)n`NlcK  
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。 GwP!:p|  
: Bo
  
详述案例 =<Sn&uL  
zz(|V  
系统参数 )~R[aXkvY  
V?G%-+^  
案例的内容和目标 =:w,wI.  
(2>q  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 pKq[F*Lut  
"h[)5V{  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Y %bb-|\W  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 m{RXt  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 E%D.a=UX,  
hR7uAk_?  
模拟任务：反射光束整形设置 u1y>7,Z6W  
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。 {'M/wT)FeC  
#'>)?]tn  
0%L:jq{5  
GfK%UZ$C  
X,3\c:  
YzG?K0O%  
规格：像散激光光束 O9By5j 4  
]*k ~jY,  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Bi \fB-|  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 fu~iF  
\yw5`5g  
pA_u;*  
#\Y`?
 
JHm Pa  
ey[Z<i1  
规格：柱形抛物面反射镜 <^5$))r  
                         `{>/'o  
 有抛物面曲率的圆柱镜 F4T!&E%6  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 F::Ki4{jJ  
 曲率半径等于焦距的两倍 juF=ZW%i  
8g_kZ^<[  
"k@[7 7  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） xsRkO9x  
5;/q[oXI  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Os>&:{D4!  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） nF]R"
 
 离轴角决定了截切区域 N.z2eo  
S WTZ6(!oW  
规格：参数概述（12° x 46°光束） q#c+%,Z=C  
4<UAT|L^`  
   5ta;CG  
.EHq.cd
e  
光束整形装置的光路图 v8 =#1YB;  
3zKeN:w  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 VV$#<D<)  
 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。 $X Uck[  
qP;1LAX  
反射光束整形系统的3D视图 Q~wS2f`)  
s=jH1^  
pl@K"PRE  
|gxPuAXa)  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。  Hk4k  
 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）。 ~PyS;L}  
tx<^PV2  
详述案例 T`]%$$1s  
k.54lNl  
模拟和结果 ZEDvY=@a   
F?a 63,r  
结果：3D系统光线扫描分析 c9jS !uDMK  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 jf;n*  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 !a\v)R  
x
WY\,'+Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *^G,  
X0j>g^b8  
使用参数耦合来设置系统 \/ri|fm6l#  
j]%XY+e  
]CcRI|g}  
自由参数： G+2fmVB*X  
 反射镜1后y方向的光束半径 V73/q  
 反射镜2后的光束半径 2<8l&2}7]  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ^vSSG5 :  
 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。 YGQ/zB^Pj  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 (?(gz#-  
K>~YO~~  
v8C($<3%  
-"H$&p~  
lcpiCZ  
7;TMxO=bra  
NA0Z~Ug>  
自由参数： b5%<},ySq  
 反射镜1后y方向的光束半径 sx7zRw >X  
 反射镜2后的光束半径 "v0bdaQH3  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） l SKq  
 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。 0>-}c>  
]57Ef'N  
~AaEa,LQ  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 |%XcI3@*  
q4!\^HwQ  
{*8G<&
 
结果：使用GFT+进行光束整形 ?771e:>S-  
^uw]/H3?L  
\@h$|nb  
jzpDKc%  
jp4-w(  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 pd,d"+  
()Wu_Q  
&k
_LK  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 #>G:6'r  
m-~3c]pA  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ppLLX1S  
JP( tf+  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： tD#)  

iYYuZ.  
BaP'y8dVN  
S^D@8<6GJ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd $g VbeQ  
d+]=l+&  
结果：评估光束参数 _~umE/tz  
`?l /HUw  
qW4\t  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 sieC7raO  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 >e-0A  
(w"(RM~  
sEfT#$ a^8  
 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。 Vz-q7*o$S  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） dOaCdnd~  
c}),yQ|!:  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2$t%2>1>@  
6#
jql  
光束质量优化 E|RC|Sz=u  
s]A8C^;c  
sHPeAa22  
 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。 6,~1^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）。 x)$0Nr62D  
=\)zb'\=d  
结果：光束质量优化 NZ8X@|N  
T?Z^2.Pvc  
PX23M|$!  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 K(lVAKiP]  
CsT&}-C  
8vR'<_>Q  
'TqF}a7  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） sc# EL~  
k5Q1.;fW76  
-jrA
k  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd GCw4sb4~w  
;iJxJX\+  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 %yfl-c(u  
K/}x'*=  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 # &5.   
q;sZwp<  
\4<|QE  
 这意味着参数变化是的正态 H{9P=l  
]8$H'u(C  
{0/2Hw n  
;0?OBUDO  
Ml?KnSb  
 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。  ZpBP#Y*  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 *D[yA  
^liW*F"UY  
"8U=0a  
Ayn$,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ]WcN6|b+  
f
F#Fc&B  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） 5X5UUdTM  
Kf$(7FT'`  
Pn@DHYP  
N6+^}2'*)  
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。 #D{Eq8dp  
s0x/2z  
总结 ${wp}<u_  
suLC7x`Z  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 PVljb=8F  
1.模拟 L=HnVgBs  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ;qWSfCt/^  
2.研究 bNm]h.  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 SwO$UqYU=  
3.优化 BE~-0g$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。 $[7/~I>m  
4.分析 Zvfy%k   
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 d`5AQfL&  
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。 R@_3?Z!W=  
R4k+.hR  
参考文献 LH`2Y,E  
[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). ^rjUye%EK  
BxQ,T@  
进一步阅读 CM[83>  
zA3r&stN+  
进一步阅读 7d|1T'  
 获得入门视频 EymSrZw  
- 介绍光路图 Lh.-*H  
- 介绍参数运行 l2dj GZk  
 关于案例的文档 Y}Y~?kE>M|  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 7(^F@,,@  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens V3a6QcG  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing !g=b=YK  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair