[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） (! 8y~n1  
~xv3R  
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 \mTi@T!&  
N{}8Zh4op  
4 aE{}jp1  
&^w"  
简述案例 Q{5.;{/eC  
Y78DYbU.  
系统详情 $ce*W9`  
 光源 Bt#'6::  
- 强象散VIS激光二极管 VT-%o7%N  
 元件 @LFB}B  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） f~,Ml*Zp  
- 具有高斯振幅调制的光阑 "Ec9.#U/  
 探测器 |#{ i7>2U  
- 光线可视化（3D显示） lD->1=z  
- 波前差探测 K-"`A.:S  
- 场分布和相位计算 ujl?!  
- 光束参数（M2值，发散角） '? -N  
 模拟/设计 XH(-anU"!P  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 R+t]]n6#  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： [c -|`d^  
 分析和优化整形光束质量 <$pv;]n  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 $BT[fJ'k  
>6[d&SM6  
系统说明 :x
Tm-L  
o~W,VhCP
 
B'mUDW8\D  
模拟和设计结果 a@Zolz_Z  
*_d N9  
数值探测器结果 )#1!%a
Q  
{;th~[  
$iMLT8U  
b
#"&]s-  
Vrd16s  
总结 ._t1eb`m{  
+Wgfxk'{  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )p
e17T1|  
1.模拟 m>F:dI  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 <`G-_VI  
2.评估 X 5X D1[  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 UCkV;//.  
3.优化 ,KD?kSIf  
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。 *-(o. !#1  
4.分析 KT*>OYI  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Vy|4k2
 
s? Xgo&rS_  
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。 : 2$*'{mM  
?=^\kXc[  
详述案例 VXlAK(   
GKOl{och  
系统参数 BX6kn/i  
Hq,@j{($  
案例的内容和目标 ,!LY:pMK  
'\+"3!$  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 >@ xe-0z  
!*HJBZ]q  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 NQ;$V:s)  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 r{84Y!k~*  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 C^5 V  
(;^>G[  
模拟任务：反射光束整形设置 6$f\#TR  
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。 1 ?Zw  
bBXLW}W  
_h1eW9q  
#`f{\  
#d*gWwnx"  
%l#X6jkt  
规格：像散激光光束 [~
RO9=;L  
&l!T2PX!  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 &zJ\D`\,O  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 NI.ROk1{+4  
=$L+J O  
='=4tj=z  
6Z'K1  
z*q+5p@~  
;+|Z5+7!6  
规格：柱形抛物面反射镜 |5:2?S2R  
                         a j$& 9][  
 有抛物面曲率的圆柱镜 INp:;  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 p >ua{}!L  
 曲率半径等于焦距的两倍 GUqG1u z9  
'6e4rn{  
Y'bz>@1(  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Lj#xZ!mQS  
nCp_RJu  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 /V`SJ"  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） N{&Lo}6F  
 离轴角决定了截切区域 }{=}^c"t'  
($/l_F  
规格：参数概述（12° x 46°光束） +]( y  
)bL(\~0g~  
   :) -`  
zS|4@t\__  
光束整形装置的光路图 -K(d]-yv  
:).NA ]  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 /\uop
a  
 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。 %8%|6^,  
44B D2`nF  
反射光束整形系统的3D视图 YcclO  
]h' 38W  
+F60_O `  
X am8h
 
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 b]Kb ~y|  
 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）。 Uf]$I`T#  

c}|.U  
详述案例
=EM<LjO  
G3+e5/0  
模拟和结果 ts@Z5Yw*!  
tc)Md]S  
结果：3D系统光线扫描分析 im9EV|;  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 k\;D;e{  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 +r//8&  
T+zhj++  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd aXQAm$/ >  
pc@mQI  
使用参数耦合来设置系统 4&%H;Q  
LklE,W  
z;2& d<h  
自由参数： vO&X<5?Qc  
 反射镜1后y方向的光束半径 l;A'^  
 反射镜2后的光束半径 #>\
SK  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） rr\9HA  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 %mU$]^Tw(  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 2-N7%
]h  
skan1wQ  
hCF_pt+  
KnA BFH  
":qHDL3  
}~PG]A  
Ja4M@z  
自由参数： eN </H.bm]  
 反射镜1后y方向的光束半径 htL1aQ.  
 反射镜2后的光束半径 z;e@m2.IM  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 2Q]W  
 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。 ~vA8I#.  
(jhi<eV  
qzA_ ~=g
 
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ar,v/l>d4N  
I+.U.e^gx  
T+EwC)Ll  
结果：使用GFT+进行光束整形 &=M4Z/Ao  
&Z!y>k%6
 
mbX'*up  
\),f?f-m  
dMsS OP0E  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 iHc(e(CB<  
}:{ @nP  
>@cBDS<6R  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 bc~WJ+  
$|&<cenMT  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 cpw=2vnD  
_=`DzudE  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： OgQ8yKfDB  
6'e^np  
-zJV(`  
*q,nALs  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd m;rr7{7X  
edcz%IOM(  
结果：评估光束参数 L>g6 9D!  
)CE]s)6+2  
5bXpj86mY  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 LH+Bu%s  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 >
?ar  
L >"O[@  
??P\v0E  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 :*[mvF  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） 5Uy*^C7M^  
.{?;#Cdn  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd "x$L2>9  
Qx|HvT2P  
光束质量优化 *H
HL a  
pp1Kor  
BQ[R)o  
 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。 Ah@e9`_r  
 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）。 U&Atgv  
\}kR'l  
结果：光束质量优化 F !OD*]  
K8-1?-W  
eNi#% ?=WB  
 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。 Eu
l3 {+]  
Y?0x/2<  
xW9R-J\W  
6(htpT%J  
 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。） R)$]r>YZF  
\r{wNqyv  
h:C:opa-=  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd nSQ]qH&4d  
62.Cq!~  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 lH/"47  
+lFBH(o]X  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 tP2.D:( R  
j"TEp$x  
y,1U]1TP  
 这意味着参数变化是的正态 zP
Hx\z"  
{c]
dz7'?  
-Q Mwtr#q}  
s?1Aj<  
IN#/~[W  
 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。 <_*5BO  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 *0L3#. i  
d!Y%7LmSE@  
Gf.xr%mUZr  
jVGAgR=[G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run %RF$Y=c'C  
;QCGl$8A  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） Lp}V 94xT  
Mg8ciV}\xY  
Er$&}9G+-  
+"WNG  
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
PkP5w  
ngd4PN>{4  
总结 ^c.pvC"4j
 
^e =xEZD  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 iGj
,B =35  
1.模拟 -H[@]Q4w  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 S;8=+I,  
2.研究 +gBDE:  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 (=gqqOOl~  
3.优化 (k"0/*F4_  
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。 `-b{|a J  
4.分析 'aD"v>  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Sa.nUj{M=  
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。 Oo(xYy  
gw
g~4:W  
参考文献 .9g :-hv  
[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). @{3_7  
VTDnh*\5  
进一步阅读 <.BY=z=H  
/L! =##  
进一步阅读 C deV3  
 获得入门视频 5OOXCtIKf  
- 介绍光路图 RASk=B  
- 介绍参数运行 SnvT !ca  
 关于案例的文档 "~6&rt  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ix?Z:pIS0  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens &lzCRRnvt  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ?aTC+\=  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair