[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） {{M?+]p,^  

=rS z>l  
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 '3eP<earRP  
}9e4?7  
>4=sEj  
Nzz" w_#  
简述案例 Bsw5A7,-  
!8ub3oj)  
系统详情 M")v ph^  
 光源 7,ODh-?ez  
- 强象散VIS激光二极管 E]6C1C&K  
 元件 *nDyB.(  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） HS| &["  
- 具有高斯振幅调制的光阑 yB(^t`)}N  
 探测器 I'G$:GX  
- 光线可视化（3D显示） _I+#K M  
- 波前差探测 ;ej;<7+  
- 场分布和相位计算 nn$,|/  
- 光束参数（M2值，发散角） |/zE(ePc{  
 模拟/设计 iNf+ -C3  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 M~;Ww-./  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： gPY2Bnw;l  
 分析和优化整形光束质量 HKx2QFB  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 \(jSkrrD  
f;#hcRSH  
系统说明 ? e%Pvy<i  
g+p?J.+  
R`H
yg4?  
模拟和设计结果 Fsv%=E{  
Uce
ZWtYa  
数值探测器结果 30g-J(Zg  
hf>JW[>Xo  
r8+{HknB;  
%0@Jm)K^  
L~SM#?z:ue  
总结 RvvK`}/6  
tlu-zUsi  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 AM*V4}s*9k  
1.模拟 G$
:
T!  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 D#508{)  
2.评估 YmFJlMK  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 4&~1|B{Z  
3.优化 zS18Kl  
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。 XJDp%B  
4.分析 =9FY;9  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 $`x4|a8-  
,*8}TIS(s  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 QM`A74j0]\  
a_w#,^/P  
详述案例 jTaEaX8+  
=l&7~  
系统参数 :CNWHF4$  
!.H< dQS  
案例的内容和目标 [2~Et+r6g  
z%(m:/N70  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 )FGm5-K@  
wlKfTJrn&  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 L;H(I@p(e  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 4a00-y='  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 a,U[$c  
,*%%BTnR  
模拟任务：反射光束整形设置 F]@vmzr  
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。 J,%v`A~N  
j8WnXp_  
bEyZRG  
.Ebg>j:\  
6MvjNbQ  
,IF3VE&r  
规格：像散激光光束 xX*I.saK  
v#{Sx>lO  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 vzM8U>M  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ({i}EC7{  
zMxHJNQ\D  

Pqli3(  
3#`_
t :"A  
~cQ./G4  
O@6iG  
规格：柱形抛物面反射镜 {Y6U%HG{{r  
                         .;)7)%  
 有抛物面曲率的圆柱镜 k#NIY4
%.  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 "MQy>mD6  
 曲率半径等于焦距的两倍 SB0Cq  
Z5/^pyc  
8+5#FC7  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） luRtuXn[8  
=~6A c}$  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 @?
lmho?  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） XUc(7>k  
 离轴角决定了截切区域 ;NQ9A &$)  
uMKO^D  
规格：参数概述（12° x 46°光束） jcD_<WSe  
?XN=Er^
 
   $_IvzbOh  
EKo!vieG  
光束整形装置的光路图 PKFjM~J  
6RV42r^pf  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ZFwUau  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 
"TEF  
'ol8lIa.P  
反射光束整形系统的3D视图 k8IhQ{@  
F|pM$Kd`  
UgI0 *PE2  
UtPFkase  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Y1fcp_]m  
 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）。
U|SF;T .  
C'$w*^me  
详述案例 hS&3D6Gt  
4FrP%|%E~  
模拟和结果 Nc;cb  
BV)oF2b:  
结果：3D系统光线扫描分析 0x BO5[w,Y  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 %PA#x36
 
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 !2L?8oP-z  
X.}i9a 6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @A32|p}  
jHjap:i`cI  
使用参数耦合来设置系统 =D-u"
.{  
wT\JA4  
I<E~=  
自由参数： wNc.z*+O"H  
 反射镜1后y方向的光束半径 >,%or cN  
 反射镜2后的光束半径 eka<mq|W  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） >_XC  
 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。
bmCp:
6  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ozaM!ee\z  
"06t"u<%  
YoDL/  
o6bT.{8\  
EKu%I~eM  
Y#e,NN  
^]rPda#  
自由参数： pW&K=,7|  
 反射镜1后y方向的光束半径 i?{)o]i  
 反射镜2后的光束半径 a4d7;~tZ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） U80h0t%  
 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。 p~Wy`g-  
ZLI
t3  
I9  (6  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ?Vre"6U  
TXL!5, X_  
`;j@v8n$*  
结果：使用GFT+进行光束整形 ^cDHC^Wm  
lcVZ 32MQ  
9{*$[%d1  
k~%j"%OB  
iW%~>`tT  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 HPryq)z  
&9Kni/  
Q{[l1
:  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 A3mvd-k  
<uG6!P  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 /@ww"dmqU  
?lca#@f(  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： {gz-w|7  
6?(yMSKa  
+)xjw9b  
kqkTz_r|H  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c/DK31K  
&+5ij;AD  
结果：评估光束参数 X$2f)
3  
"wy2u~  
~&<Ls  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 9Iu"DOxX%  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 baoyU
#X9  
(kTu6t*  
5pT8 }?7  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 ^c<8|lK L@  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） l*.u rG  
h+R26lI1x  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd )+Y"4?z~  
l6*MiX]q  
光束质量优化 ?$K.*])e  
ds2%i  
9Nw&l@  
 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。 I&U.5wf  
 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）。 Z;<:=#  
GT7&>}FJ)  
结果：光束质量优化 VOJ/I Dl 4  
ff;~k?L  
 + \]-"  
 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。 '}^qz#w   
]Twyj  
k Nvb>v  
h,?%,GI  
 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。） 7B<,nKd  
dS8ydG2  
{O:{F?  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ur.krsU  
hFo29oN  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 !1Hs;K  
x6)qs-  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 0l3[?YtXc  
le' Kp V  
Er;qs*f  
 这意味着参数变化是的正态 ,k_"T.w  
-g."{|  
#UE}JR3g  
{P_i5V?  
H|_@9V  
 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。 vV xw*\`<6  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 b}DC|?~M  
-u(,*9]cJ*  
DZ @B9<Zz{  
m_;fj~m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 0hhxTOp  
-K lR"
:  
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） {sf ,(.W  
-wrVEH8  
5S8>y7knQ  
Ph%{h"  
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。 wAw1K2d  
s1E 0atT  
总结 Yj'9|4%+|  
c9G%;U)  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {_-T!yb  
1.模拟 z{|0W!nHJ  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 B~E">}=!  
2.研究 I eJI-lo  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 o">~ObR  
3.优化 7~FHn'xt  
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。 z"T+J?V/  
4.分析 OPzudO  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 &TY74w*  
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。 5'NNwc\  
PJ;WNo8  
参考文献 "
{r8'qn  
[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). z\oTuW*B  
(~eS$8>.  
进一步阅读 1I`F?MT  
PDPK|FU  
进一步阅读 m5i
CvOP  
 获得入门视频 wgIm{;T[u  
- 介绍光路图 {f\wIZ-K A  
- 介绍参数运行 #2s}s<Sc;  
 关于案例的文档 ;-8.~Sm  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens JH{/0x#+  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens zt: !hM/Vt  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 1Xo0(*O  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair