[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） IFZw54  
kIe)ocJg  
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 (]VY==t~  
ay`R jT  
^rO!-  
ZN&9qw*  
简述案例 t0?tXe.B  
(dx~lMI  
系统详情 .eorwj]yb  
 光源 -s7!:MB%g  
- 强象散VIS激光二极管 3hEbM'L  
 元件 " YOl6n  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） U7e2NES  
- 具有高斯振幅调制的光阑 9
l|*E  
 探测器 f)V6VNW.3  
- 光线可视化（3D显示） }AiF 7N0  
- 波前差探测 k'sPA_|  
- 场分布和相位计算 Mhb~wDQl  
- 光束参数（M2值，发散角） O%aHQL%Sz  
 模拟/设计 X`-o0HG  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 -6X+:r`>u  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： T-x9IoE  
 分析和优化整形光束质量 r^ '
 
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 DK'S4%;Sp  
Bt1v7M  
系统说明 ,w=u?  
QF22_D<.}J  
2^Z"4t4  
模拟和设计结果 *iyc,f^w  
5`i+aH(  
数值探测器结果 +CXq41g"c  
nQg_1+  
M~y}0Ik  
g:6`1C  
{h.j6  
总结 x cZF_elt7  
q$`>[&I~)  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3;!!`R>e  
1.模拟 w6-<HPW<S  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 [9F  
2.评估 s"2+H}u   
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 rd=+[:7L  
3.优化 0xaK"\Q  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 C0>L<*C  
4.分析 hx4c`fOs  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ~0}d=d5g  
e)87 & 7  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 &]A0=h2{P*  
g;7u-nP  
详述案例 Qv]rj]%  
Jc`tOp5  
系统参数 K*p3#iB  
glBS|b$\:  
案例的内容和目标 GNHWbC6_m  
,s:viXk  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 dVn_+1\L  
UA*Kuad  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 9g.5:  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 YlR9 1LX  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 T`]P5Bk8r  
r8[)Ccv  
模拟任务：反射光束整形设置 $H&:R&Us  
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。 /bo`@ !-#  
gg Nvm  
"g!ek3w(  
$e{}SQ;fW  
+jKu^f6  
WSGho(\  
规格：像散激光光束 vkeZ!klYB  
k]2_vk^  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 {A)9ePgv!  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 SDs#w  
y'non0P.  
g0-rQ
A  
n8`WU3&  
<|w(Sn  
?0qP6'nWx  
规格：柱形抛物面反射镜 .>LJ(Sx9b  
                         dfZ`M^NU  
 有抛物面曲率的圆柱镜 o%0To{MAF-  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ~@T`0W-Py  
 曲率半径等于焦距的两倍 K6|R ;r5e{  
n9R0f9:*  
,ne3uPRu7~  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Zq5~M bldh  
)CgH|z:=b  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 MT$)A:"  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） fVdu9 l  
 离轴角决定了截切区域 91nw1c!  
a>Zp?*9  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Dv&K3^~Rfb  
tJ&tNSjTi  
   `;j$]  
r\)bN4-g  
光束整形装置的光路图 Pw5[X5.DX  
TOG:N~  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 -=ZDfM  
 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。 EBr?>hl  
c@J@*.q]   
反射光束整形系统的3D视图 \xQu*M:!  
_rmKvSD%  
e^$JGh2  
*kEzGgTzoS  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 *%E\mu,,c  
 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）。 E=`/
}2  
)V&hS5P=S  
详述案例 E]=>@EX  
qwO@>wQ}~  
模拟和结果 g!9|1z  
E>`|?DE@  
结果：3D系统光线扫描分析 ?GW}:'z  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 n=|%
H'U  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 0?dr(   
[AA}P/iW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd d`~~Ww1  
S5
d  
使用参数耦合来设置系统 "\=Phqw   
E%Ww)P  
p<,`l)o}~  
自由参数： (OA4H1DL^  
 反射镜1后y方向的光束半径 oYt34@{?  
 反射镜2后的光束半径 Ivj=?[c|  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4u"Bll  
 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。 f8`dJ5i  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。  WjCxTBI  
OHrzN']  
P(/eVD#v  
KSHq0A6/q%  
)a
x>*  
JbQY{z!  

1:
>F{g  
自由参数： HrfS^B  
 反射镜1后y方向的光束半径 E+#<WK-  
 反射镜2后的光束半径 , 2xv  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） "Mhn?PTq  
 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。 (z?j{J  
JodD6;P  
1hE{(onI  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 >P&1or)e%  
P.
QF9%  
Gh@~~\  
结果：使用GFT+进行光束整形 0U H]
 
aT(_c/t.  
#<ST.f@*  
,wXmJ)/WZ  
7nFOVZ  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 }a.j~>rq  
.Y"F3 R  
,?k1if(0[  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 %.?V\l  
0bT[05
.  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 RHMXPsj  
W5=)B`v  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： o:fe`#t  
x!\q69ndv  
Qh
(X7B  
\C h01LR"  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd f'H|K+bO  
n|LpM.  
结果：评估光束参数 %yu =,J j  
F= %A9b_a  
e,MsF4'  
 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。 -Ou.C7ol  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 XWyP'\  
3RT\G0?8f  
I "~.p='  
 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。 H(rD*R[  
 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） ^B%=P  
+a1iZ bh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 
~rJG4U  
#mA(x@:*  
光束质量优化 =R|XFZ,  
[!-gb+L  
y,3ZdY"  
 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。 P <+0sh  
 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）。 va'F '|  
9S*"={}%  
结果：光束质量优化 NX.xEW@  
+8T^
q,  
I4{xQI  
 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。 uMS+,dXy  
h0@a"Dq
K  
RbXR/Rd  
%dFJ'[jDL  
 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。） "8{A4N1B5  
qul#)HI  
y~@zfJ5/^  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd dQ.#8o=  
9ziFjP+1  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Y}N\|*ye-  
~<m^  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 0!_?\)X  
0)332}Oh  
=abcLrf2G  
 这意味着参数变化是的正态 a3tcLd|7J  
d*0RBgn  
)ffaOS!\  
_9 ]:0bDUo  
1x:W 3.  
 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。 !i^"3!.l,]  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 o8 JOpD  
A51 a/p#  
f\]?,
 
<46&R[17M  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run $Es\ld  
(?7=,A7^  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） 3R+%C*7  
5@w6pda  
s)a-ky(  
nn_O"fZi  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 %N*[{j= ^  
CO='[1"_5  
总结 o utJ/~9;  
j Q5F}  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 u ]e-IYH  
1.模拟 s5nw<V9$]  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 H9/!oI1P?  
2.研究 ^v'kEsE^*  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 b&:v6#i  
3.优化 wUv?;Y$C  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 1;ttwF>G7  
4.分析 aDF@AS  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 +'<PW+U$  
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。 #'_#t/u  
@N4_){s*  
参考文献 {aY) Qv}  
[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). gjDNl/r/  
u7L?9  
进一步阅读 @7twe;07r  
j
=l2\W#}  
进一步阅读 P%aqY~yF3  
 获得入门视频 >^s2$@J?p  
- 介绍光路图 3^7+fxYWo  
- 介绍参数运行 )QE6X67i  
 关于案例的文档 ,8@<sFB'  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 1=R$ RI  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ^k=<+*9  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ;llPM`)  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair