[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） At bqj?  
=h_4TpDQ  
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 4a2&kIn  
J$WIF&*0@  
acGmRP9g  
/ V{w<  
简述案例 F~l3?3ZV  
BxZop.zwE(  
系统详情 [?IERE!xQ  
 光源 1@nR.v"$  
- 强象散VIS激光二极管 G0]n4"~+?  
 元件 +.lO8  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） )
uX:f8  
- 具有高斯振幅调制的光阑 f1~3y}7^Jq  
 探测器 h;ShNU  
- 光线可视化（3D显示） )Y *?VqZn  
- 波前差探测 GO?-z0V  
- 场分布和相位计算 ?Y hua9  
- 光束参数（M2值，发散角）
,-b{oS~u  
 模拟/设计 zA"D0fr  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 /p%K[)T(  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： q90S>c,  
 分析和优化整形光束质量 2Qy!Aa  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 q/B+F%QiMQ  
uRL3v01?H0  
系统说明 \ qs6%  
a<Ns C1  
VUnEI oKM  
模拟和设计结果 y2qESAZ%k}  
YwF6/JA0^  
数值探测器结果 @Op8^8$`  
,j

t098W  
!}3`Pl.(r  
./fEx 'E  
O?2
<rbx  
总结 ]Z84w!z  
v =?V{"wk!  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 c\]L  
1.模拟 vfbe=)}[  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 `?D_=Gw  
2.评估 6Ss{+MF|v  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 eN-{  
3.优化 Q./lX:  
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。 6szkE{-/?  
4.分析 52["+1g\  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 I+CQ,Zuf  
G^(&B30V  
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。 2s4=%l  
!:n),sFv45  
详述案例 y(]|jRo  
m+m6"yE#_  
系统参数 NSgHO`gU8  
EU@mrm?  
案例的内容和目标 x@Y2jM  
I|j
tpv}  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 hZ'oCRM  
5"gRz9Ta`  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 k41la?  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 :1lE98=  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 xk*3,J6BK  
V-cuG.  
模拟任务：反射光束整形设置 .#:,j1L"53  
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。 #w*pWD^  
hKTg~y^  
5j{@2]i  
ommKf[h%i  
eTF8B<?  
a`-hLX)~Z  
规格：像散激光光束 HEuM"2{DMM  
v2n0[b0  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 gZjO
lp  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 uTU4Fn\$L  
)T64(_TE  
87K)qsv8  
FR}H$R7#  
sv;zvEn;-L  
+r0eTP=zf  
规格：柱形抛物面反射镜 ^c\IZ5  
                         /SXz_e  
 有抛物面曲率的圆柱镜 nFfCw%T?  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 @:7gHRJ!  
 曲率半径等于焦距的两倍 j&/.[?
K  
5|R
2cc|"9  
Hk]BC
 
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Q@2tT&eL  
x ctU.)p  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 30_un  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） W"kw>JEt  
 离轴角决定了截切区域 ^2r}_AX  
` (D4gPW  
规格：参数概述（12° x 46°光束） R1.sq(z`  
Nr"N\yOA/  
   %<?ciU  

j/9
QV  
光束整形装置的光路图 iw fp'  
M_1Tx  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 C|f7L>qe  
 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。 H\I!J@6g  
@E}
X-r.^f  
反射光束整形系统的3D视图 %?f:"  
*yaX:,'\$  
+ |qfgi  
{TncqA  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 8A:^K:Q  
 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）。 bV`C;RPn  
q{GSsDo-:V  
详述案例 sJb)HQ,7x  
9*KMbd^T  
模拟和结果 )_v\{N  
A,gx5!J  
结果：3D系统光线扫描分析 !&`\ LJ=j  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 y5/6nvH_6  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 |WAD $3  
`.'i V[fr  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~g1, !Wl  
3l%,D: ?  
使用参数耦合来设置系统 oM<!I0"gC+  
14D7U/zer  
V-_/(xt*  
自由参数： ufCqvv>'  
 反射镜1后y方向的光束半径 rAx"~l.=  
 反射镜2后的光束半径 =x^l[>sz  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _D
j<Eu_  
 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。 `4%;qLxngP  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Px?Ao0)Z,  
5!AV!A_Jp  
NLQE"\#a  
vWl[l -E  
-+}5ma  
\CK
(;J  
Ud#X@xK<h  
自由参数： +~d1;0l|  
 反射镜1后y方向的光束半径 %f(S'<DhC  
 反射镜2后的光束半径 sz/*w7  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） "#pzZ)Zh  
 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。 YZGS-+  
's[BK/  
2vc\=  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 &Vt2be*  
:)p)=c8%  
efjO8J[uk-  
结果：使用GFT+进行光束整形 /2e%s:")h  
$_C+4[R?  
5g``30:o  
]4Y/xi-  
l(%k6  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Sty!atEWT  
k&)K
(  
]U,CKJF%/  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 gg-};0P-  
h2wN<dJCM  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 c^=R8y-N  
oYz!O]j;a  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 6F`qi:a+  
Yb[n{.%/g  
;8P_av}C  
Vkr
`17`G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd p9-0?(]  
M$Fth*q{GD  
结果：评估光束参数 (0i'Nb"  
~G>jw"r  
W+gpr|R2  
 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。 HG2GZ}~^1  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 iJdP>x  
l'U1 01M>F  
.^i<
xY  
 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。 I>A^I  
 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） 9ilM@SR  
*URdd,){i  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd sVu k  
90~*dN
k  
光束质量优化 P##Z[$IJ3  
^7uX$  
<cYp~e%xIw  
 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。 Wo{K}  
 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）。 %3M95UZ2  
3bH~';<  
结果：光束质量优化 AD]e0_E  
Dl%?OG<  
{XtoiI  
 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。 flG=9~qcGQ  
=7 VCtd/  
nbGoJC:U  
0q{[\51*  
 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。） a/~29gW8E\  
xf/m!b"p  
dK.R[aQ  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd EX:{EmaT  
!z MDP/V  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 cC%j!8!  
[Tb\woU  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 I!0JG`&  
p1D()-  
==N` !+  
 这意味着参数变化是的正态 D`Gt  
SK+@HnKd  
@`wn<%o$  
5`~mqqR5  
<F7V=Er  
 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。 |3;(~a)%  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 R)+t]}  
0z`/Hn  
dQ9 ah  
d&jjWlHgEN  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run L/?]^!.  
! _{d)J  
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） 0(gq;H5x'  
KiAcA]0  
tz4 ]hF  
2n|CD|V$ux  
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。 =&7@<vBpy  
6tn+m54_  
总结 Ma6W@S
 
kUa)smh
 
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9tK>gwb  
1.模拟 rbyY8 bX  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 /r^[a,Q#x  
2.研究 5&!'^!  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 #cU^U#;=r  
3.优化 hj!+HHYSk  
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。 ~Ky4+\6o>  
4.分析 ,l HLH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 3b!,D  
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。 {%b }Z2  
Hi7y(h?wj  
参考文献 +Ok%e.\ZM  
[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). oNM?y:O  
eLfvMPVo  
进一步阅读 |g-b8+.=]  
KX3KM!*  
进一步阅读 >72JV;W]  
 获得入门视频 !tNd\}@  
- 介绍光路图 ;..o7I  
- 介绍参数运行 sJZ!sznn  
 关于案例的文档 W7=V{}b+  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens kl}Xmw{tJ  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 9(,@aZ  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing w?LrJ37u  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair