[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） XiQkrZ  
!kL> ,O>/  
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 eV7u*d?  
(GcT(~Gq)D  
wX,F`e3"/  
%gd(wzco  
简述案例 A8DFm{})c  
oVOm_N  
系统详情 ROc`BH=  
 光源 r~7:daG*  
- 强象散VIS激光二极管 Hkd^-=]]no  
 元件 z[EFQ^*>  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） {9LWUCpsf  
- 具有高斯振幅调制的光阑 jS<_ )  
 探测器 'ZP)cI:+X  
- 光线可视化（3D显示） ;V5yXNQ  
- 波前差探测 Vj?DA5W`'  
- 场分布和相位计算 OGO~f;7  
- 光束参数（M2值，发散角） (%_n!ip^  
 模拟/设计 
bh p5<N  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 hBU\'.x  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 'CR)`G_'[  
 分析和优化整形光束质量 sJG5/w  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 58V[mlW)O0  
c#/H:?q?a  
系统说明 X"aEJ|y  
5W? v'"  
M*eJ JY  
模拟和设计结果 t*XN_=E$f  
:G5uocVk  
数值探测器结果 u3 0s_\  
2aN<w'pA  
*QGm//b  
zDTv\3rZ4X  
@A<PkpNL  
总结 .L6Zm U  
bM,1f/^  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 5ETip'<KT6  
1.模拟 gJ$K\[+  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 (la[KqqCO  
2.评估 ;)AfB#:d  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 c]-*P7W  
3.优化 q`NXJf=sc  
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。 ~]C%/gEh  
4.分析 A]0:8@k5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 3r+.N  
NB_)ZEmF  
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。 _nh[(F<hz  
7R4z}2F2  
详述案例 3*UR3!Z9 *  
SMH
<'F7i  
系统参数 8T)&`dM6P~  
?p<.Fv8.  
案例的内容和目标 pCh2SQ(Q>  
=3ioQZ^Vz  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 bg,9@ }"F  
5q9s,r_  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 WYB{% yf  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 w;UqEC V  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 0|&\'{  
0& >H^  
模拟任务：反射光束整形设置 94skkEj  
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。 FTc.]l
aO  
G7!W{;@I  
]?O2:X  
,GWNLm\5  
(+uj1z^  
xv{O^Ie+S  
规格：像散激光光束 =OIw*L8C"I  
uiq^|5Z  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 g V5zSudW  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 [/
s&K{+c  
zDhB{3-Q1{  
~x#w<0e>  
n1 6 `y}  
h$eEn l}  
yRp"jcD  
规格：柱形抛物面反射镜 toN^0F?Qm  
                         v>z tB,,9  
 有抛物面曲率的圆柱镜 RrUBpqA  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 qTZFPfyU  
 曲率半径等于焦距的两倍 !Z VU,b>  
xGTP;NT_H  
kmzH'wktt  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Bqma\1cgb  
Zo1,1O  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Ookh<ES>  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 8-<:
i  
 离轴角决定了截切区域 s3 7'&K  
AJ#Nenmj  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Eu"_
MgD  
 hI9  
   rZ8`sIWQt  
|rmg#;/D  
光束整形装置的光路图 V#VN%{  
Xpzfm7CB/  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 df7wN#kO+  
 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。 9tF9T\jW  
;a:[8Yi  
反射光束整形系统的3D视图 Eke5Nb  
n:MdYA5,m  
v
pmj||\-  
!K|5bK  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Sa2>`
":d  
 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）。 vWAL^?HUP  
[eTSZjIN7  
详述案例 <&C]sb  
N-lkYL-%\j  
模拟和结果 ZP
{*.]Qu  
9B;{]c  
结果：3D系统光线扫描分析 t!RiUZAo  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 $Xq!L  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 |i++0BU  
):iA\A5q[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd / m=HG^!  
A~-b!Grf  
使用参数耦合来设置系统 UX7t`l2R  
c/sC&i;%O  
!qG7V:6  
自由参数： Y]&j,j&  
 反射镜1后y方向的光束半径 HTG%t/S  
 反射镜2后的光束半径 FSND>\>  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 
KCs[/]  
 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。 B_.%i+ZZ  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ~@}Bi@*  
yqPdl1{Qr=  
M3.do^ss  
FJMrs[  
wb0L.'jyR)  
9H]{g*kL  
A}l3cP; `#  
自由参数： jyCXJa-!-  
 反射镜1后y方向的光束半径 /'/Xvm3  
 反射镜2后的光束半径 v/_  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） JD|=>)  
 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。 $` ""  
nR*ryv  
W)bLSL]`E  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 gw!vlwC&T  
7<*yS310
 
^~etm  
结果：使用GFT+进行光束整形 j:v@p
zTD  
+L;e^#>d  
|!4K!_y  
+{oG|r3L  
p>huRp^w  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 (JOgy.5C~  
iUN Ib
 
aht[4(XH5  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 K|[*t~59  
H:V2[y8\  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 GB=X5<;  
a!v1M2>  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： @J/K-.r  
n"c[,k+R`U  
H*PSR  
WvY? +JXJ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {ttysQ-  
J| w>a  
结果：评估光束参数 Yo6*C  
GBPo8L"9  
1G^`-ri6  
 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。 asppRL||  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Li4zTR|U  
X aMJDa|M  
;~m8;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。 k5'Vy8q  
 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） w9EOC$|Y  
0Qf,@^zL*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd u0
`S5?  
?67Y-\}  
光束质量优化 cK(C&NK  
)"7iJb<E  
~qTx|",  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 *XIF)Q=<>  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 -lY6|79bF  
W{ q U  
结果：光束质量优化 ;,%fE2c  
I 5^!y  
Q+{xZ'o"Z  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 s"r*YlSp"  
_@ qjV~%Sy  
*0Skd  
iP ->S\  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 86=}ZGWd  
<L8'!q}  
*k.G5>@  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ;n*.W|Uph  
S%Uutj\/W  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 aC8} d  
-=)H{  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 f<d`B]$(  
8Fz#A.%P
 
.ypL=~Rp  
 这意味着参数变化是的正态 yEqps3%  
?]_$Dcmx  
wd8l$*F*  
-b9\=U[  
*v!9MU9[(  
 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。 |4;Fd9q^m  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 /[ 5gX^A  
hF~n)oQ  
P~>OS5^  
3
Ei#q+7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 7rc0yB  
d;Ym=YHJtn  
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） pP&7rRhw  
KOk4^#h@  
'}53f2%gKa  
'uSn}hm  
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。 -A^_{4X  
c<B/V0]  
总结  dVtG/0  
%}SrL*  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /$Nsd  
1.模拟 qZ}^;)a^  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 u5`u>.!  
2.研究 z% ?+AM)P  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 )4e.k$X^  
3.优化 PbJ(:`u  
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。 ?Jm^<  
4.分析 Cgk<pky1  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ]nn
98y+  
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。 !GjQPAW  
t%0VJB,Q2  
参考文献 @alK;\  
[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). C_}]`[  
@1roe G  
进一步阅读 Ju@c~Xm  
nfbR P t  
进一步阅读 )hsgC'H{~]  
 获得入门视频 
,q`\\d  
- 介绍光路图 iHM%iUV  
- 介绍参数运行 D0-3eV-  
 关于案例的文档 zFfr.g;L  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens AlaW=leTe  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Cv.C;H  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing e8a+2.!&\  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair