[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） sy s6 V?  
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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 ruf*-&Kr7  
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简述案例 ~AX@o-WU  
Z(gW(O9h.V  
系统详情 s/"l ?d  
 光源 k`u:Cz#aB  
- 强象散VIS激光二极管 3WTNWz#h  
 元件 n>5/y c"/q  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） *pOdM0AE  
- 具有高斯振幅调制的光阑 en1NFP  
 探测器 MU-T>S4  
- 光线可视化（3D显示） 7^3a296  
- 波前差探测 3r]m8
Hp  
- 场分布和相位计算 5|pPzEA>  
- 光束参数（M2值，发散角） ~Wox"h}(  
 模拟/设计 REaU=-m-  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 *It`<F|  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： /Ayo78Pi  
 分析和优化整形光束质量 4|EV`t}EV  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 n$})}kj  
bt2`elH|  
系统说明 ZB|y  
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模拟和设计结果 VEtdp*ot  
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数值探测器结果 Alh"ZT^*  
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Q^_*&},V  
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总结 lls-Nir%  
;hcOD4or  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :K#z~#n  
1.模拟 YgFmJ.1  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。  oRbG6Vv/  
2.评估 <Y9 L3O`[  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 %xH2jf  
3.优化 <691pkX  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Uql|32j  
4.分析 '%}k"&t$i  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 h\@\*Xz<v  
z(yJ
/~m  
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。 &.ENcEic  
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详述案例 h>A~..  
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emw=a  
系统参数 Z fQzA}QD  
>;9+4C<z0  
案例的内容和目标 y7?n;3U]CS  

X5V8w4NN  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ^/H9`z;  
8^8fUN4<=  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 9 K.
B  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 }\s\fNSQ/  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
.h0@Vs  
*T+Bjj;w  
模拟任务：反射光束整形设置 Wvg
+5Q  
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。
vfn _Nq;  
\N[Z58R !z  
\@3B%RW0  
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^^O @ [_  
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规格：像散激光光束 Xv~v=.HNhk  
LxcC5/@\~(  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ecZT|X4u  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 [#}0)  
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feI%QnK)U  
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Ui^~A  
规格：柱形抛物面反射镜 wd 4]Z0;  
                         rQuozbBb  
 有抛物面曲率的圆柱镜 f<$>?o&y  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 I 19 
/  
 曲率半径等于焦距的两倍 ;E!(W=]*F  
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^9  
{`Jr$*;  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） yq
Y nd<K4  
C'_^DPzj  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 OrZ=-9"  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ;$\?o  
 离轴角决定了截切区域 n.323tNY  
!ULU#2'1  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 0|D^_1W`R  
doERBg`Jh  
   I"4Lma  
*i=+["A  
光束整形装置的光路图 U)P
NY  
p H5iv>H  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ?bq S{KF  
 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。 &{x%"Aq/  
m,u5S=3A{!  
反射光束整形系统的3D视图 \h#,qTE  
/F(wb_!  
#TXN\YNP  
(F<VcB  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 #JOWiO0>  
 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）。 sp2"c"_+  
:nt 7jm,  
详述案例 _>6xUt  
\L-K}U>
J  
模拟和结果 B5nzkJV<X  
%y{
f]m  
结果：3D系统光线扫描分析 BotGPk><c  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 *b$8O  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。  /z0X  
H(JgqbFB*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd _D{V(c<WD  
J0 [^hH  
使用参数耦合来设置系统 i>]1E^yF  
FE0}V}\=h  
THQd`Lj  
自由参数： )YKnFSm  
 反射镜1后y方向的光束半径 :75$e%'A  
 反射镜2后的光束半径 QM"\;l??  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） eplz5%<  
 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。 rzR=% >
 
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 p}b:(QN~m  
86bRfW'  
XL`*Tbx  
SRUg2)d  
:jJ;&t^^  
JTw< 4]  
!mM`+XH  
自由参数： jo7`DDb  
 反射镜1后y方向的光束半径 @
1`!}.Tk  
 反射镜2后的光束半径 MHuQGc"e+4  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） a5)<roWQ  
 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。 B8f BX!u/  
d(=*@epjR  
#:~MtV  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 :RxWHh3O  
jHU5>Gt-}  
N=JZtf/i  
结果：使用GFT+进行光束整形 [SJ)4e|)  
!XJvhsKXy  
CTNeh%K;  
RS8tE(  
a/k0(  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 <]SI-  
$X>$)U'p&-  
zZhAH('fG  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Ib~n}SA  
)jS9p~FS  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 LU=<?"N6  
aJ4y%Gy?  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： XBmAD!  
J&B>"s,  
0LjF$3GpZ  
' )0eB:  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bzl-|+!yB  
VV$$t;R/
 
结果：评估光束参数 S4salpz  
B@8M2Pl  
h@^d Vg  
 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。 1+{V^)V?  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 o>#ue<Bc6  
mh4<.6>5  
R
TLA*  
 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。 ]"*sp  
 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） 60iMfcT  
"8NhrUX  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd lCX*Q{s22  
J%:D%=9 )  
光束质量优化 )6t=Bel  
3YFbT Z  
;b-d2R  
 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。 2qN|<S&  
 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）。 }OJ,<!v2pc  
=Qf.  
结果：光束质量优化 pO10L`|  
d,"6s=4(q  
Za>0&Fnf  
 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。 O 8\wH  
_[kZ:#  
K,$Ro@!  
_'.YC<;  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ?kF_C,k/>N  
0&W*U{0F\  
0o>l+c  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd c:@lR/oe"  
F.DR
Gi.i  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 E[nJ'h<h  
"h84D&V  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 
Ln4zy*v{  
"A>/m"c]*  
fPj*qi  
 这意味着参数变化是的正态 ?S~@Ea8/M  
kzb%=
EI  
< 9 vS  
,5 A&  
W3HTQGV  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 R|,F C'  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 *.2[bQL@v  
@5)THYAx4  
M#5*gWfq9  
SBbPO5^](  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run =a]B#uUn  
Cbq|<p# #o  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） `;R [*7  
mi>CHa+$  
Fb^Ae6/i  
GQvJj4LJp  
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。 EXz{Pqz  
G^6\OOSy  
总结 vrr`^UB2  
@&4s)&-F  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 V1 :aR3*!  
1.模拟 <8?jn*$;\  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 -|/kg7IO\  
2.研究 -gzY~a  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 |E7)s;}D  
3.优化 d=$1Z.]  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 M,WC+")Z=  
4.分析 by{ *R  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 OM1pyt  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 .%3qzOrN  
%CaUC'  
参考文献 `BGU   
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007).
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km[PbC  
进一步阅读 Do\YPo_Mr  
Cjn)`Q8  
进一步阅读 2TZ+R7B?  
 获得入门视频 'aAay*1  
- 介绍光路图 iJsa;|2/  
- 介绍参数运行 noLb  
 关于案例的文档 +'{@Xe}  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 1 xu2$x.b  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens DP-euz  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing w*-1*XNA  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair