[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 065A?KyD  
zJ_My&~  
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 i'HST|!j  
jt%WPkY:  
Sip_~]hM  
e7|d=W  
简述案例 Ar5JP_M`E  
}AAbhr9d}  
系统详情 )"~=7)~<^  
 光源 4K #^dJnC  
- 强象散VIS激光二极管 Y[,U_GX/R  
 元件 8;.` {'r  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） !F,s"  
- 具有高斯振幅调制的光阑 P^;WB*V  
 探测器 k>-'AWH^v  
- 光线可视化（3D显示） UP*yeT,P,  
- 波前差探测 I,9~*^$  
- 场分布和相位计算 i ~P91  
- 光束参数（M2值，发散角） P.1Qc)m4  
 模拟/设计 -;S3|  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ASM1Y]'Z  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： _<Vg[-:1  
 分析和优化整形光束质量 QvNi8TB  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 gyg|Tno  
WiwwCKjSa  
系统说明 !g/_w  
!$XO U'n  
3]7ipwF2q  
模拟和设计结果 h%|9]5(=  
(ai72#nFtb  
数值探测器结果 M'vXyb%$1  
jaN
H](V  
5?)}F/x  
~Gwas0eNa  
WT1q15U(=  
总结 '9Qd.q7s|b  
GMyoSe%1/  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 -MsuBf  
1.模拟 81cv:|"  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Z#[>N,P  
2.评估 +Hi{/{k0N  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 wfWS-pQ  
3.优化 xQZMCd  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 [lrmuf  
4.分析 = c/3^e  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 fCs\Q  
<w%Yq?^  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 i"ck`6v"8  
d+1L5}Jn  
详述案例 }NR`
81  
 |UABar b  
系统参数 M5
5e=  
k_-vT  
案例的内容和目标 GR_p1 C\  
)sMAhk|  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 1Qrm"TFo  
P]{B^,E  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Y!Usce  
 之后，研究并优化整形光束的质量。
XtnIK  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 q^Q|.&_k /  
bEEJVF0  
模拟任务：反射光束整形设置 cob9hj#&7  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 =]2 b8  
zlC^  
WXRHG)nvL  
Z^jGT+
2  
Xd90n>4S  
hCSRsk3  
规格：像散激光光束 eYnLZ&H5O  
4Xa.r6T_N=  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 1gf/#+$\  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 mkKRC;  
!W(/Y9g#  
&h_d|8  
#S/pYP`7  
[)T$91 6I  
5)/4)0  
规格：柱形抛物面反射镜 'd~, o[x  
                         znGZULa#  
 有抛物面曲率的圆柱镜 z+5u/t  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ,3g]=f  
 曲率半径等于焦距的两倍 QySca(1tN  
UU;Ysj  
'_Hb}'sFI  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ^D>/wX\u  
SF78s:_!_  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 #8WR{  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 2J>A;x_?  
 离轴角决定了截切区域 kV]%Q3t  
ba8-XA_~U  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 6c;
?`C  
XACEt~y  
   }(f,~?CP]  
_s*uF_:3  
光束整形装置的光路图 O(:u(U7e  
c@"i?  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 -jklH/gF\%  
 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。 2={K-s20  
oPCIlH  
反射光束整形系统的3D视图 #Fb0;H9`  
H/
B^N,oi  
?U2g8D nFY  
7J)Hwl  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 AQ_#uxI'oa  
 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）。 k(w9vt0?  
qH}62DP3  
详述案例 l
D+y,";  
6A{s%v H  
模拟和结果 Vq;{+j(  
}lQn]q
 
结果：3D系统光线扫描分析 dBi3ZCAF  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 O#89M%  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 El8.D3  
.k?hb]2N  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd V~%WKQ  
z|4@nqqX  
使用参数耦合来设置系统 XxrO:$  
3M>FU4Ug2  
E6KBpQcd[
 
自由参数： J_br%AG<p  
 反射镜1后y方向的光束半径 #a>!U'1|  
 反射镜2后的光束半径 I6Q_A  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +P;D}1B#I?  
 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。 g.VIe  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 5|={1Lp24g  
X#C7r@H  
SPm5tU  
hl~F1"q)  
+s 0
Bt '  
<(lSNGv5N  
'r <BaL  
自由参数： u:kY4T+Z  
 反射镜1后y方向的光束半径 ![C$H5  
 反射镜2后的光束半径 OmuZ0@.  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,TA[el%#  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 gQt@xNO  
%*; 8m'  
3@bjIX`=H  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 s+~Slgl  
KPcuGJ  
W{/z-&  
结果：使用GFT+进行光束整形 c&W.slE6  
(:muxby%  
x5Pt\/ow  
'a[|}nJ3  
K:Go%3~,  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 lfG's'U-z  
b:&$x (|  
==r|]~x  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 6b)UoJxj  
ZKL%rp_  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 [\F,\  
*<j@+Ch  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： JNl+UH:.  
;z=C]kI6M  
A^pp'{ !.  
xT8"
+}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;a)\5Uy  
 n(1"6  
结果：评估光束参数 *G=AhH$t  
K)@Buu&,p  
/RmCMT  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 j( :A  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 3?(p;  
EKD>c$T^  
YTit=4|  
 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。 O{R5<"g  
 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） N^N?!I  
k| o,gcU  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd s~w+bwr  
OwaXG/z~  
光束质量优化 dVfDS-v!  
h;M2ylOu.  
eP?|U.on  
 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。 ijYLf.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）。 qm8
RRDG  
~.PYS!" +  
结果：光束质量优化 0/]vmDr  
Q.AM  
t}
gqk'  
 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。 'b,D;'v  
_@TTVd  
xGA0] _  
Qd?P[xm  
 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。） BE)l77=/  
uSjMqfK  
?Sxnq#r#  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd {jI/9  
N-]n>E  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 V:J6eks
_  
I:"`|eHxv  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 K_}acU  
P|U>(9;P,  
')V5hKb^  
 这意味着参数变化是的正态 9=f'sqIPV  
ZZ5yu* &  
0%/(p?]M  
CcTJCuOS  
|O?Aj1g[c?  
 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。 ]FBfh.#X@  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 TbuR?#  
TW0^wSm  
\tqAv'jA|  
Dn?L  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 5P!17.W'u  
:u0433z:  
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） *?+!(E  
th)jEK;Z  
< lrw7T  
m}(DJ?qP  
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。 fZO/HzX  
@:I/lg=Qd  
总结 4`F*] Ft  
8Bvjj|~ (@  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 `L>'9rbZO  
1.模拟 9P$'ON'"  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 %XeU4yg\e  
2.研究 d\f5\Y  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 D4wB &~U  
3.优化 K\q/JuDfc  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ;`+,gVrp  
4.分析 4o8!p\a  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 HNPr| (  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 ~6nQ-  
+}Pa/8ybJ  
参考文献 !QovpO">z  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). t-Wn@a  
_
xUXt)k  
进一步阅读 Mx }(w\\T  
h(sD]N  
进一步阅读 P,wJ@8lv  
 获得入门视频 e_TM#J(3  
- 介绍光路图 x1~`Z}LX0  
- 介绍参数运行 khfE<<$=  
 关于案例的文档 ol\IT9Zb~  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens .H&;pOf  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens LtQy(F%8/  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing <5q
}j-Q  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair