[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 86\S?=J-b  
RW}"2  
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 x >^Si/t  
<~n$1aA  
H8`(O"V  
9M1d%jT  
简述案例 d\ ~QBr?  
W~p/,HcM  
系统详情 H)>;/#!r-  
 光源 yZ7,QsEsN  
- 强象散VIS激光二极管 YJl("MZ  
 元件 E Kz'&Gu  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ]f_6 '|5A  
- 具有高斯振幅调制的光阑 `zE}1M%y  
 探测器 >$,y5 AJ&  
- 光线可视化（3D显示） y;AL'vm9  
- 波前差探测 8krpowVs~  
- 场分布和相位计算 Jte#ZnP  
- 光束参数（M2值，发散角） =n' 4?W@  
 模拟/设计 `A,g] 1C:  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 }-o{ASC#  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： SJ};TEA  
 分析和优化整形光束质量 mK [0L  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 *L'>U
[Pl7  
/M*a,o  
系统说明 j~e;DO  
\;mH(-  
Iz{R}#8CZ  
模拟和设计结果 =T7A]U]  
zKsz*xv6b  
数值探测器结果 o,!T2&}  
Z+StB15  
pIKSs<IP  
#zRbx  
Iy.rqc/86  
总结 aKd+CO:  
Y"6w,_'m  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,s_T pq  
1.模拟 Zb134b
'  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 WwUv5GZTW  
2.评估 L:k9#6  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 F1Hh7 F  
3.优化 >N?2""  
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。 vQa'S-@u  
4.分析 bug Ot7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 hAjM1UQ,Y  
AT\qiznvP  
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。 W.1As{  
~(@ E`s&{  
详述案例 &V<W>Y>|l*  
6Kj'ZyVL  
系统参数 Cua%1]"4w  
U7DCx=B  
案例的内容和目标 fI7j):h;  
XJ0oS32_wK  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 o8Z[+;  
q;:6_Qr  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2Gs$?}"a  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 V&|!RxWK  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 at
W'  
k3t78Qg  
模拟任务：反射光束整形设置
fbkd"7u  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 wM_ 6{  
rO:
u6."_  
B<~U3b  
:Yj)CGl$  
ZK'-U,Y.H7  
'/I:^9  
规格：像散激光光束 3~qR  
4W#
E`9 6u  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 L}yyaM)  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 EOoZoVdzx  
jkF8\dR  
$j5,%\4<  
nSCWg=E^  
D5an\gE  
e62Dx#IY  
规格：柱形抛物面反射镜 /V?H4z[G  
                         =]>NDWqpHN  
 有抛物面曲率的圆柱镜 6UE(f@  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 "|m|E/Z-9  
 曲率半径等于焦距的两倍 =D^TK-H  
;_:Ool,  
IAOcKQ3  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） K$ v"Uk  
Ft@Wyo`^  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直
+} mk>e/  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） m4[g6pNx~  
 离轴角决定了截切区域 %o}(sShS  
t+nRw?Z  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 1|?K\B  
w#^U45y1v  
   X[W]=yJJ  
~^vC,]hU  
光束整形装置的光路图 p[2GkP  
~B$b)`*  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 YGsS4ia*4i  
 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。 0 3~Ikll  
LihjGkj\g  
反射光束整形系统的3D视图 qXXGF_Q  
M_``'gw  
[k]|Qink  
+^6}   
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 y@wF_WX2  
 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）。 }xFi& <  
Vdn.)ir~P  
详述案例 y5m!*=`l`  

 <1&Ke  
模拟和结果 o7+>G~i  
^t[HoFRa  
结果：3D系统光线扫描分析 2*U.^]~"{  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 4B?!THjk  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Gowp <9 F  
:
[M[(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c#b:3dXx9  
Ak~4|w-  
使用参数耦合来设置系统 cbKL$|  
&14W
vAU  
Poa?Ej  
自由参数： ,M3z!=oIGn  
 反射镜1后y方向的光束半径 J<JBdk  
 反射镜2后的光束半径 J
fcMca  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） eSl-9 ^  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 -c
Nx1et  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 fY2wDD  
9e<Zgr?N  
Xz;b,C&*t  
#1$}S=8*f  
 d^39
t4  
^Y^"
'"  
wVi%
oSfM  
自由参数： =hw^P%Zn  
 反射镜1后y方向的光束半径 Xy#VQ{!  
 反射镜2后的光束半径 t ,qul4y}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） "7?js $  
 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{ i9.=  
W81o"TR|pt  
J"[3~&em  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ~,}
s(`~  
jeDlH6X'  
F>:%Cyo0!  
结果：使用GFT+进行光束整形 L(WOet('  
\iMyo  
<<3+g"enno  
Ugi5OKdj7)  
[Hcaw   
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 lSc,AOXp  
4`mO+.za1  
:$"7-a%f  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 k]I*:'178  
KR3-Hb4  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 X*Z5 P  
L+Pc<U)T+  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： R!{7OkC  
#t5juX9Ho9  
X}apxSd"  
>rwYDT#m]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd hU,$|_WDy  
uFe'$vI  
结果：评估光束参数 y'rN5J:l  
e?)yb^7K  
6H;kJHn  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 'P/taEi=R  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 (G5T%[/U  
/8p&Qf>lJ1  
yv${M u  
 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。 \r]('x3S  
 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） `2x34  
TczXHT}G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd '?R=
P  
x_ySf!ih  
光束质量优化 A*Q[k 9B  
eH=c|m]!P  
d2ofxfpg+  
 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。 CTU9~~Xk  
 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）。 &5/JfNe3  
-ddOh<U>  
结果：光束质量优化  {@\/a  
n49s3|#)G  
-eYL*P
a  
 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。 ?W<cB`
J  
`Y\QUj  
!@yQK<0  
,$i<@2/=m  
 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。） ~D!ESe*=  
!>|`ly$6  
Et0&E  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd i-V0Lm/  
^=#!D[xj>  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 tz8
t9lb[  
fSC.+,qk  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 0sabh`iQ^  
,A?v,Fs>O[  
jQIV2TY[  
 这意味着参数变化是的正态 QZYM9a>  
]h!*T{
:  
#?5VsD8  
DzmqR0)  
Vdy\4 nu(  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 &0h=4i=6r  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 T@>63  
kpY%&  
=KW|#]RB^  
|>[X<>m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ~{Ua92zV9  
C0f[eA  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） L]a|vp  
Vg) ^|  
0Sz/c+ 6  
tpd|y|  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 T)O]:v  
aH9L|BN*  
总结 3V!W@[ }:  
=/f74s t  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 PKATw>zg<  
1.模拟 2"_ 18l.  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 @>Biyb  
2.研究 G)K9la<p  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9`E-dr9  
3.优化 Q)9369<A  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 E'fX&[  
4.分析 r6<ArX$Yl  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 2@4MC`&  
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。 ir"* iL=  
Z^C!RSQ  
参考文献 2GUhV*TN  
[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). MQhYJ01i  
yW'BrTw  
进一步阅读 a#>t+.dd  
Psg +\14  
进一步阅读 @$_rEdwi  
 获得入门视频 Y~<rQ  
- 介绍光路图 #NSaY+V  
- 介绍参数运行 8HB?=a2Q<'  
 关于案例的文档 Y&~5k;>'_  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens @)+i{Niuv  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Pm'.,?"  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing l,ZzB,"  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair