[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） (""&$BJQ|  
cB^lSmu5  
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 !hUyX}{`j  
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-SW]x  
V-0Y~T  
?=&*6H_v  
简述案例 )&K%Me  
|Sm/Uq(c  
系统详情 \)*qW[C$a  
 光源 %3wK.tR  
- 强象散VIS激光二极管 iDr0_y*
t  
 元件 C.O-iBVe#  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Vv]mME@  
- 具有高斯振幅调制的光阑 |n;7fqK  
 探测器 Re_.<_$  
- 光线可视化（3D显示） PH.v3 3K  
- 波前差探测 Q>$v~v?9  
- 场分布和相位计算 PR0]:t)E  
- 光束参数（M2值，发散角） sXA=KD8  
 模拟/设计 tEl_A"^e  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 KV
2X[1  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： rcCMx"L=  
 分析和优化整形光束质量 %o>1$f]  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 e!#:h4I  
wB@A?&UY  
系统说明 A7se#"w  
%|Vq"MW,I  
XQ>m8K?\d  
模拟和设计结果 *&s_u)b  
a9%# J^!  
数值探测器结果 \oyr[so(i  
u-,=C/iU  
^<c?Ire  
DwPl,@T_i\  
:B im`mHl  
总结 ``{xm1GK  
MFrVGEQBRL  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 HUH=Y;  
1.模拟 }/=_  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 i{.!1i:  
2.评估 G"]'`2.m  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Ktoxl+I?  
3.优化 %5b2vrg~*  
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。 ^+88z>  
4.分析 {.v+ iSM  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 pnWDsC~)  
pV_2JXM~@  
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。 d}1R<Q;F  
;-59#S&?tB  
详述案例 ~~&M&Fe  
+u7mw<A 8  
系统参数 R"jX9~3Ln  
d4/ZOj+%  
案例的内容和目标 0oD?4gn  
se&:Y&vrc~  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 o4xZaF4+  
EyhQjsaT  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ` 6PdMvF  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 b?z8Yp6  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 AyddkjX  
opKtSF|)  
模拟任务：反射光束整形设置 WK-WA$7\  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 )l^w _;  
~%cbp&s*/q  
krgsmDi7  
vb# d%1b5  
=KkHck33  
Jf2  
规格：像散激光光束 !I@"+oY<  
*g7dB2{  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 pl5!Ih6  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 >k"/:g^t  
Pt E>08  
)tB mSVprl  
2|+**BxHD  
^$VOC>>9  
Gt'%:9r  
规格：柱形抛物面反射镜 z"|^Y|`m  
                         C;_10Rb2ut  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Eg>MG87  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 6tVB}UKs  
 曲率半径等于焦距的两倍 ZhW>H  
OPar"z^EV  
\59+JLmP4  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） G0^NkH,k  
k/Z}nz   
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 UW!!!  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） .7" f~%&oP  
 离轴角决定了截切区域 z6\Y& {  
C,.$g>)MZK  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 0Db#W6*^  
lj(}{O  
   :`25@<*u  
\)pk/  
光束整形装置的光路图 52=?! JM  
lIz"mk  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 *22}b.)  
 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。 wj/OYnMw  
4$C:r&K  
反射光束整形系统的3D视图 UT%^!@u  
h5>JBLawQP  
m z) O  
/2 ')u|  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 |}t[-a  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 q<dZy? f  
> -OQk"o  
详述案例 8V?O=3<a  
s${ew.eW  
模拟和结果 X2v|O3>/N  
^h1EE=E"  
结果：3D系统光线扫描分析 Hn+w1v&3  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 @|sDb?J  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 uDbz`VpK  
N;Wm{~Zhb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd rjHL06qE  
T_i]y4dg  
使用参数耦合来设置系统 q3<Pb,Z  
|hk?'WGc`0  
kO>F, M  
自由参数： MIGcV9hf  
 反射镜1后y方向的光束半径 .-Yhpw>f  
 反射镜2后的光束半径 fO|oV0Rw  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） kdcr*7w  
 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。 W6:ei.d+NS  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Wz',>&a  
Zl^#U c"  
#-r,;  
/{QR:8}-Q  
Z:j6AF3;  
z)*7LI  
b\&|030+  
自由参数： RsU!mYs:H  
 反射镜1后y方向的光束半径 XpFW(v  
 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） WrP4*6;"  
 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。 v0v%+F#>@  
Pv,Q*gh`  
]n _OQ)VO
 
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ruiAEC<Ej  
?(rJ  
HE6kt6  
结果：使用GFT+进行光束整形 d)d\h`=Z  
9=D09@A%e  
\qk+cK;+  
kB:6e7D|[  
/a@gE^TM  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ) bRj'*  
D_VAtz  
%+0 7>/  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 &ZmWR  
~ A?  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 MhT.Zg\  
Ni bOtIZ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： nZ7FG  
8y:c3jzP_  
E3%:7MB  
Bg3`w__l;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd I#?NxP\S  
A 9\]y%!  
结果：评估光束参数 *|97 g*G(  
~m@v ~=  
+eT1/x0  
 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。 5BWO7F0v"  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 (x"TM),Q  
tw{V7r~n  
'a1%`rzm  
 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。 t.
f#_C\  
 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） 9'tOF  
T;{M9W+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2pu8')'P  
Ro1b (+H  
光束质量优化 @!;EW R]  
AC'$~4  
7=Vs1TVc  
 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。 ZMFV iE;8  
 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）。 Pi^5LI6JW  
<]9%Pm#X  
结果：光束质量优化 Nw74T  
L!fiW`>0G  
_hK83s4  
 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。 I)9un|+,y  
ah1DuTT/G  
&2i3"9k  
@#wBK3Ut^  
 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。） ?uiQ'}
 
]6#7TT  
9t`   
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd aDXdr\C6  
'1o1=iJN@$  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 eYJ6&).F  
}1N$4@  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 +1`Zu$|  
_!m_s5{  
>=<qAkk  
 这意味着参数变化是的正态 HkH!B.H]  
X[F<sxw  
jSY&P/[xb  
M@
LI(;  
IIn0w2:i  
 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。 m@qM|%(0x  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 A>SXc%K  
G'*_7HD  
w>RBth^p  
GQZLOjsop  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run d~lB4  
Z @:5vo  
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） IYJS>G%*  
Yn0l}=, n  
bC[TLsh7{2  
X<6Ro es2  
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。 hJ)>BeH0  
.iDxq8l  
总结 cy0 %tsB|  
]klP.&I/0  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @O~
  
1.模拟 I(i/|S&^  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 $?38o6  
2.研究 }]8n3&*  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 mY}_9rTn|  
3.优化 
T?p'R  
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。 A
fpj*o  
4.分析 95`Q=I|i  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 !^o(?1  
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。 BE&P/~(C  
|2!!>1k  
参考文献 aY/msplC  
[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). D][e u
B  
5kX#qT=  
进一步阅读 KJ7[DN'(  
!OM P]  
进一步阅读 M5mCG  
 获得入门视频 vcsrI8+  
- 介绍光路图 w|~d3]BqT  
- 介绍参数运行 ^H0`UKE  
 关于案例的文档 `5y+3v~"  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Lk%u(duU^  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens A5d(L4Q]a(  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing [1I>Bc&o*  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair