[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） L c{!FG>  
V3%Krn1'  
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 U0zW9jB  
"1\(ZKG8^Q  
$<14JEU  
yCZ2^P!a
 
简述案例 !__D}k,  
vN'VDvVM  
系统详情 @ > cdHv  
 光源 +-'`Q Ae  
- 强象散VIS激光二极管
37,L**Dgs  
 元件 I"~xDa!  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） EGr|BLl  
- 具有高斯振幅调制的光阑 -.^=Z!=M  
 探测器 SG1&a:c+.  
- 光线可视化（3D显示） "@aq@mY@  
- 波前差探测  %L{  
- 场分布和相位计算 `f2W;@V0  
- 光束参数（M2值，发散角） Am]2@ESUP  
 模拟/设计 ]gjr+GV  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 eR(\s_`  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： p`pg5R  
 分析和优化整形光束质量 J,.j_ii`!  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 i=x.tsJ:hB  
AfuXu@UZ_/  
系统说明 c&0;wgieg  
t@l(xnsV  
fpI;`s  
模拟和设计结果 pE~9o 9  
<=#lRZW[z  
数值探测器结果 *vRNG 3D/  
>SY2LmV'a  
n.=e)*  
aslU`#"  
\Ac}R'  
总结 Fc34Y0_A  
/>2A<{6\=P  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 0\8*S3,q  
1.模拟 uEc0/a :.  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 xe"4u JO  
2.评估 G5y]^P  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 @>qx:jx(-S  
3.优化 Tb5$  
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。 8<E!rn-  
4.分析 -lJx%9>  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 $]Q*E4(kV9  
BG(R=, 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。 UrD=|-r`  
vLi/'|7  
详述案例 /k
4^&  
9~LpO>-  
系统参数 )nf=eU4|  
[=]+lei  
案例的内容和目标 zgEr,nF  
Nb|3?c_  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 EqNz L*E  
~`nm<
  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 BK`Q)[  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 "ZA$"^  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ,v$2'm)V  
qK9L+i  
模拟任务：反射光束整形设置 #;qFPj- v  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 >o0&:h|>$'  
.(P@Bl]XJ  
X~IRpzC  
w~cq%%  
b@{%qh,C  
-z>Z0viA  
规格：像散激光光束 ^rxfNcU7  
UY}9
 
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Lic{'w&  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 []6ShcqJ[v  
FcA)RsMI*  
s/W!6JX4  
!%Z)eO~Z  
=:CGl  
iECC@g@a  
规格：柱形抛物面反射镜 ~I/>i&|M1  
                         (7rz:  
 有抛物面曲率的圆柱镜 $~w@0Yl  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 A9fjMnw  
 曲率半径等于焦距的两倍 p ?Ij-uo"o  
ecSdU>  
B4\:2hBq  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） )$lSG}WD  
}e/[$!35  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 e@2E0u4   
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ]sm0E@1  
 离轴角决定了截切区域 c*M)DO`y;h  
%(dV|,|v  
规格：参数概述（12° x 46°光束） m"?'hR2  
Hd=D#u=A4{  
   @]y{M;  
Vx\#+)4  
光束整形装置的光路图 O_s9  
kw}ISXz v  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 b
z}AO))Hk  
 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。 ^%4( %68  
n{qw]/  
反射光束整形系统的3D视图 a?U%l9F  
NBbY## w0  
$Kw"5cm  
XCqfAcNQ  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 +n8I(l=  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 !5' 8a5  
l;][Q]Z@V  
详述案例 -;/@;W  
Bgo"JNM  
模拟和结果 q*<J$PI  
WO \lny!  
结果：3D系统光线扫描分析 u%gm+NneK  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 *"wD&E?  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 (8m\#[T+R  
jQK2<-HZ3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd aP6%OI  
No92Y^~/  
使用参数耦合来设置系统 1 Q0Yer  
5f^`4pT  
:;h
Bq4h  
自由参数： ?+
}E  
 反射镜1后y方向的光束半径 g8iB;%6   
 反射镜2后的光束半径 3/SqXu  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） |"tV["a  
 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。 te)g',#lT  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ]TTJrC:  
!i"9f_  
1WA""yb  
;uWI
l  
K~hlwjrt  
\
Dsl7s=  
(m =u;L"o  
自由参数： ][$$ =  
 反射镜1后y方向的光束半径 r<f-v_bxF  
 反射镜2后的光束半径 4S{l>/I  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） m%$E[cUW!  
 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。 XGrxzO|{  
;xkf?|  
"d^lS@~  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 hwol7B>   
0\y
tBxL  
s)7`r6w  
结果：使用GFT+进行光束整形 t;a}p_>  
dU04/]modD  
aid)q&AcQ  
@ :  
D<L{Z[  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ^&w'`-ra  
GPhwq n{  
ea[a)Z7#  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 WZO 0u
 
r'JK$9  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 b!tZbX#  
r@V(w`  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： [?r\b  
+VI0oo {Z  
[.#$hOsNR  
t-ReT_D|;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bA9
dbe  
Z YO/'YW  
结果：评估光束参数 V9 t:JY  
h^,YYoA$  
"@<g'T0  
 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。 0BwQ!B.  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 r
N!9&  
}j<_JI  
i~PZvxt  
 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。 21J82M  
 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） &7y1KwfXn  
vH:+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $,@+Ua  
Wv'B[;[)  
光束质量优化 Uc;IPS  
(YH{%8 Z0  
y]z#??  
 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。 :QY9pT  
 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）。 v?'k)B  
MhB=+S[@  
结果：光束质量优化 L1w4WFWO  
si4=C  
$fpDABf  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 j3'/jk]\  
Iz=E8R g  
ov.rHVeI  
/u1zRw  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） x~,?Zj)n?C  
*>H'@gS  
<5L`d}  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd @?NLME  
vb2O4%7tw  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 y,eoTmaI  
e/~<\  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 r,@|Snv)  
g(/O)G.  
=7Gi4X%  
 这意味着参数变化是的正态 "tbBbEj?d  
3gXUfv2ID  
78A4n C  
;Awzm )Q  
KUV{]?'  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 <1K: G/!  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ({62GWnn_  
`l@t3/  
Eu_0n6J  
jh!IOtf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run N^j''siB  
M4]|(A  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） blS4AQ?
b^  
5WX2rJ8z  
G!Q)?N   
6
/C  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 Z.19v>-c  
35\0g&  
总结 JIk
mtZv  
wn.0U  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 v<4X;4p^  
1.模拟 ^E8Hv  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Fsdn2{g8U  
2.研究 S!c@6&XJm?  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 !SNtJi$;v  
3.优化 QpZhxp  
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。 hj[g2S%X  
4.分析 \%*y+I0>  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 .5zJ bZ9  
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。 qTex\qP  
b?^<';,5  
参考文献 4df1)<}U-  
[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). 8BdeqgU/_  
 HuClO  
进一步阅读 A).AAr  
w/@%x
y  
进一步阅读 cZ,_O~  
 获得入门视频 r#}%sof  
- 介绍光路图 Mqy`j9FbL  
- 介绍参数运行 :H7 "W<  
 关于案例的文档 6C5qW8q]u3  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens G 3x1w/L  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ]+S QS^4  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing <;K/Yv'{r  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair