[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Wmbc `XC  
K"!rj.Da  
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 F
-;JN  
fQoAdw  
+Br<;sW  
i/X
3k&  
简述案例 j7P49{  
$JFjR@j  
系统详情 o]? yyP  
 光源 #}~tTL  
- 强象散VIS激光二极管 (PpY*jKR  
 元件 wkt4vE87  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） nDrRK  
- 具有高斯振幅调制的光阑 -h8mJ D%Oi  
 探测器 maapX/J  
- 光线可视化（3D显示） >{^_]phlb  
- 波前差探测 cj>@Jx}]M  
- 场分布和相位计算 Sm/8VSY  
- 光束参数（M2值，发散角） `gl?y;xC  
 模拟/设计 |r@;ulO  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 x.1=QF{!  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： d!I%AlV  
 分析和优化整形光束质量 Ec7xwPk  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 UN?tn}`!  
nDkG}JkB!  
系统说明 YdI6|o@vc  
+:Zwo+\kSN  
I gJu/{:y^  
模拟和设计结果 s.z)l$  
%jAc8~vW?  
数值探测器结果 /IirTmFK  
N<#J!0w  
5zS%F: 3  
:lu!%p<$  
2[w9#6ly  
总结 dwn|1%D  
{JWixbA  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 i?_Q@uA~<:  
1.模拟 o9sQ!gptw  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 b8a(.}8*  
2.评估 i7H([b<_m  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 n
[/D>Pi  
3.优化 rT="ciQ  
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。 B+FTkJ0t+G  
4.分析 t(}Y/'  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Qz`evvH  
1=]#=)+  
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。 3\2&?VAjR  
^(Gl$GC$Mu  
详述案例 !jP[=  
8h ol4'B  
系统参数 .Z7tE?  
/:!sn-(  
案例的内容和目标 ]`-o\,lq  
|f}wOkl  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 #8d#Jw  
'(lsJY[-x  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Q*1Avy6]  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 n_sV>$f-u  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 =YM  
K*~xy bA  
模拟任务：反射光束整形设置 S*r }oX0  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 hj=n;,a9  
^C,rN;mX'  
.WglLUJ:Z  
tli*3YIw  
Fkv284,LM  
`~axOp9N  
规格：像散激光光束 +)9=bB  
:|l0x a  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 oKRI2ni$j9  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 <a CzB7x  
*h?*RUQ  
"dG*HKrr  
M!G/5:VZ  
nJH'^rO!C  
m[ S1  
规格：柱形抛物面反射镜 i&HU7mP/  
                         o &b\bK%E  
 有抛物面曲率的圆柱镜 0>,i] |Y  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 $y)tcVc  
 曲率半径等于焦距的两倍 SOD3MsAK  
jxK `ShW=  
J^kSp  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） RaiYq#X/  
vSQB~Vw8t  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 :>y5'q@R  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ^b&hy&ag  
 离轴角决定了截切区域 RG1#\d-fE  
Q{hK+z`D  
规格：参数概述（12° x 46°光束） }Ej^"T:H_;  
7CT446
 
   NR^Z#BU  
yrzyus  
光束整形装置的光路图 nCldH|>5w  
?r0>HvUf!l  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 dDe$<g5L4  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 OoOwEV2p_  
k%RQf0`T  
反射光束整形系统的3D视图 [c>YKN2qa  
Kt#X'!9/<  
eET1f8B=L  
-OQ6;A"#  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 `C:J{`  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 %H"AHkge:a  
En+`ZcA\z  
详述案例 !&8B8jHqA  
BBoVn^Z*R  
模拟和结果 btf]~YN  
LZPLz@=&]  
结果：3D系统光线扫描分析 5X`m.lhUc  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 xqVIw!J?/}  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4m9]d)  
r-}C !aF]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd P= 26! b  
uQkFFWS  
使用参数耦合来设置系统 BfvvJh_  
9(9\kQj{C  
0bIhP,4&  
自由参数： c+TCC%AJQI  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~ Q;qRx  
 反射镜2后的光束半径 j|WN!!7  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） NSh~O!pX  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 "qY_O/Eg]]  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 5 .bU2C  
Gy[m4n~Z5  
d>Np; "  
[M.!7+$o  
"Kn%|\YL@4  
9
r,7>#IF  
_E[)_yH'-  
自由参数： OEgp!J  
 反射镜1后y方向的光束半径 )6-!,D0db  
 反射镜2后的光束半径 *+
cW)klm  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） g"v-hTx  
 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。 uHO>FM,  
8DJoQl9  
v+`gQXJ"G  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 /4-6V d"8  
>BlF< d`X  
4T:@W C  
结果：使用GFT+进行光束整形 d#3
E'8  
f>_' ]eM%  
odpjEeQC  
q vGkTE  
w97%5[-T  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ?,x3*'-(  
0=KyupwXC  
_ye74$#  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 0h~7"qUF@  
+/~;y{G..z  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 [E|%  
<-m[0zgq  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： >FM2T<.;  
6{PlclI !  
c'~6 1HA<  
$4&e{fLt|v  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \B~}s}  
<2>Qr(bb  
结果：评估光束参数 x\R 8W8M  
=6:>C9  
etWCMR  
 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。 g O ;oM?|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 j]'7"b5  
:NPnwX8w  
hUGP3ExC*  
 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。 $UGX vCR  
 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） h"DxgG  
FpM0%   
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd yd4\%%]  
s xp>9&  
光束质量优化 a"&Gs/QKSC  
+GqUI~a
 
ijR,%
qg  
 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。 YE5B^sQ1  
 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）。 y)e8pPDG  
||t"}Y  
结果：光束质量优化 YZ0Jei8+-  
DqGm
 
ny{Yr>:2  
 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。 NhYce>  
.~t.B!rVSB  
U sS"WflB  
%RS8zN  
 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。） a08`h.dyN  
zLda&#+  
ic(`Ev  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ;Wu6f"+Y#  
7dbGUbT  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 !m<v@SmL\  
J
cDcYB  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Oq3]ZUVa  
Q=~*oYR  
:7[20n}w  
 这意味着参数变化是的正态 2jiH&'@  
Hlj_oDL  
.Do(iYO.L  
+XP9=U*g  
Mo~zq.  
 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。 Qt`;+N(  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Ods/1 KW  
Yg kd1uI.  
Q^k\q  
-.=:@H}r  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run GLE/ 1  
z+(V2?xcvt  
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） 82*nC!P3E  
fS#I?!*}  
g<(\#F}/  
U1^3 &N8  
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。 e"O c  
&kp`1kv":  
总结 a*(,ydF|L  
eN{ewn#0.  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 sm?V%NX&  
1.模拟 xg8$ <Ut  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 1@W*fVn  
2.研究 d$T856  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 la}Xo0nq0+  
3.优化 ;xxu,  
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。 %;MM+xVVX  
4.分析 `ZhS=ezgr  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 .Gq]Mrim9G  
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。 ~,O&A B
  
o@4
7WD'm  
参考文献 7Z[6_WD3  
[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). 3s B9t X  
E,p4R%:$@1  
进一步阅读 *mtS\J  
IJ E{JH  
进一步阅读 >,}SP;  
 获得入门视频 #)b0&wyW6i  
- 介绍光路图 J-d>#'Wb|  
- 介绍参数运行 5|_El/G  
 关于案例的文档 ;@$v_i  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ]7DS>%mY(  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens tx_h1[qi  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing s9F{UN3  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair