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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) &~u=vuX  
    6;lJs,I1w{  
    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 pX:FXzYQ  
    $>3/6(bW  
    +7jr]kP9  
    2 o`a^'Iw  
    简述案例
    Q}J'S5%  
    ]to"X7/  
    系统详情 rpgr5>  
    光源 s_=/p5\  
    - 强象散VIS激光二极管 b[^=GF>e  
     元件 LvJ')HG  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) \}ujSr#<  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 .qyk[O  
     探测器 R;P>_ei(LK  
    - 光线可视化(3D显示) 6 1= ?(Iw  
    - 波前差探测 'oZ/fUl|7  
    - 场分布和相位计算 jhWNMu  
    - 光束参数(M2值,发散角) v5|X=B>&>  
     模拟/设计 9E (VU.  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 rAdYBr=0  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 1Ftl1uf  
     分析和优化整形光束质量 g<[_h(xDeG  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 zX-6]j;  
    t5z6{`  
    系统说明 J~5VL |ca  
    Ge+&C RhyX  
    Hp_3BulS<  
    模拟和设计结果 1n! Jfs U  
    OC zWP,  
    1NO<K`  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 ny5 = =C{9  
    "hU'o&  
    eH2.,wY1  
    )* @Oz  
    XelY?Ph,,  
    总结 V8>%$O sw  
    >Au]S `  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 '#SacJ\L7  
    1.模拟 ]@op  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 .`!|^h%0  
    2.评估 |X9YVZC  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Ox"4 y  
    3.优化 ;l_%;O5  
    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。 Urhh)i  
    4.分析 hq.z:D  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 "Hmo`EB0  
    [8/E ;h  
    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。 22L#\qVkl  
    } XCHoB  
    详述案例 byM/LE7)  
    8jxgSB",  
    系统参数 _pQ9q&i4  
    wO!k|7:Z  
    案例的内容和目标 yzhr"5_  
    :N#gNtC)b  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ZoB?F  
    KIdlndGs  
    +/q%29-k  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 b1>%%#  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 0-EhDGa]r  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 lY_E=K]  
    TuphCu+Oh  
    模拟任务:反射光束整形设置 GLA,,i'i9  
    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。 Tn[DF9;?  
    "])X0z yM  
    u>H^bCXI  
    \>w[#4`m  
    A>^\jIB>  
    'DlY8rEGP  
    规格:像散激光光束 Kz!-w  
    s4lkhoN\t  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 no+{9Uf  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 *&>1A A  
    ^r^c MksB*  
    ]j0v.[SX  
    ;Gxp'y  
     %"j<`  
    ~=P&wBnJ  
    规格:柱形抛物面反射镜
    zT0rvz1),M  
                             y}ez js  
     有抛物面曲率的圆柱镜 x=yBB;&  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?3Wh. %n  
     曲率半径等于焦距的两倍 GAbX.9[V  
    Os9xZ  
    |UM':Ec  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) !l@IG C  
    DqrS5!C  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 FJo N"X  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) O'U0Y8HN  
     离轴角决定了截切区域 3> -/sii  
    2|(J<H  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) [zIX&fPk$  
    gKcP\m  
       z?_c:]D  
    .Nr}V.?57  
    光束整形装置的光路图 Fs<kMT  
    b&~rZ  
    83:m 7;  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 A/%K=H?  
     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。 n NZq`M  
    B+eB=KL  
    反射光束整形系统的3D视图 =&xamA)  
    S #%'Vrp  
    e`'O!  
    jE2k\\<a  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 e2UbeP  
     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)。 E}mnGe  
    [3;J,P=&  
    详述案例 Jz 'm&mu  
    lQ!ukl)  
    模拟和结果 ]K?z|&N|HK  
    =:v\}/  
    结果:3D系统光线扫描分析 @~'c(+<3  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 ;o_4)+}  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 3\|e8(bc  
    gCz^JM  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd YN9ug3O+  
    lyfLkBF  
    使用参数耦合来设置系统  .VuZ=  
    ,sP7/S)FR  
    {HNGohZt  
    自由参数: 1wuLw Ad  
     反射镜1后y方向的光束半径 1$?O5.X:  
     反射镜2后的光束半径 Erl"X}P  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) jY$Bns&.w  
     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。 1Jc-hrN-  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 U:c!9uhp  
    M' "S:  
    tx}{E<\>$  
    lLxKC7b  
    +dS e" W9  
    $T tCVR  
    GfD!Z3  
    自由参数: ko@I]gi2  
     反射镜1后y方向的光束半径 -OZXl  
     反射镜2后的光束半径 &!2 4l=!  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ;B o2$  
     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。 mWsVOf>g  
    <w+K$WE {  
    Cd#[b)d ?^  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 6Y)'p .+g  
    E).N u  
    66fvS}x  
    结果:使用GFT+进行光束整形 aRdk^|}  
    bT,]=h"0  
    2Prr:k  
    P-ys$=  
    lE`hC#m  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 X2(TuR*t  
    FcdbL,}=<  
    AVGb;)x#  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 !F/;WjHz  
    }?$d~]t)  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 )/HSt%>  
    qS*qHT(u19  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 8GN0487H  
    VzA~w` $d  
    HY~\e|o  
    `8\ _ ]w0  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd <QQgOaS`2  
    ~#h@.yW^JN  
    结果:评估光束参数 ]BP"$rs  
    36@)a5  
    15 x~[?!  
     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。 vY7C!O/y_k  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 ~=aGv%vX  
    cT`x,2  
    ]t\fw'  
     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。 e57}.pF^  
     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) *Tl"~)'t~  
    \vT0\1:|i  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd /~{8/u3  
    b&"=W9(V  
    光束质量优化 ZtlF]k:MV  
    1RY}mq  
    T-xcd  
     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。 wz+  
     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)。
    I?c# T Rm  
    {oy(08 `6  
    结果:光束质量优化 F6dm_Oq&  
    w1KLQd:yq  
    :iD( [V  
     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。 :aV(i.LW  
    Q%o ]&Hdn  
    w{#K.dx  
    @2v L'6  
     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。) sI, T"D?  
    ;26a8g(  
    HTao)`.  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Q!7Er  
     gG1%.q  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 x|<rt96 6A  
    Bcg\p}  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 +_|M*%  
    BEPeK  
    L7el5Q!Y=  
     这意味着参数变化是的正态 ^:5 ;H=.  
    [h""AJ~t  
    .t.H(Q9  
    (=}U2GD*  
    'uGn1|Pvy  
     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。 s 4Lqam!  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 DPw"UY:  
    }\|$8~  
    51;V#@CsQ  
    \`;FL\1+W  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run M&Sjo' ( .  
    PEW^Vl-6q  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) v AP)(I  
    i=OPl  
    }o0R`15dA  
    ,Bk mf|  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 vQ2kL`@  
    ~'m GGH2  
    总结 *.K+"WS%  
    Pni  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 U=\ZeYK.  
    1.模拟 YK!nV ,  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Z)<ljW  
    2.研究 ;| ##~Y.9  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 n"N!76  
    3.优化 ~cbq5||  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 wASgdGoy  
    4.分析 6Db1mvSe  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。  Iz*'  
    可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 jw?/@(AC6  
    [wWip1OR  
    参考文献 IeLG/ fB  
    [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). w{f!t8C*s  
    7dyGC:YuTL  
    进一步阅读 !4\`g?  
    {P"$;_Y"<  
    进一步阅读 Y*/:IYr`  
     获得入门视频 G7yCGT)vQ  
    - 介绍光路图 [tGAo/  
    - 介绍参数运行 Vz6p^kMB  
     关于案例的文档 Gl}[1<~o  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Q*&>Ui[&  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens A&*lb7X  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing |b7 v(Hx  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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