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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) w\V<6_[vv.  
    _F^NX%  
    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 %|f@WxNrU  
    i .eMrzJ|  
    gp H@F X  
    /q7$"wP  
    简述案例
    cf*~G x_l  
    3/(eK%d4Xb  
    系统详情 k)y<iHR_o  
    光源 qLKL*m  
    - 强象散VIS激光二极管 3O _O5  
     元件 P=9UK`n  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) YB^m!A),I[  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 H7<g5pv  
     探测器 ^EW6}oj[  
    - 光线可视化(3D显示) f 9IqcCSW  
    - 波前差探测 }*aj&  
    - 场分布和相位计算 +bb-uoZf  
    - 光束参数(M2值,发散角) h gwS_L  
     模拟/设计 ?[WUix;  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 Nd@/U c  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): vkM_a}%<  
     分析和优化整形光束质量 CWB<I  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 "+ k}#<P4\  
    m")p]B&i=  
    系统说明 ,W/Y@ScC  
    7qWa>fX  
    d>r]xXB6  
    模拟和设计结果 D$w?  
    2Qc_TgWF  
    { Q!Xxe>6  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 t+^__~IX  
    ) :Px`] 5  
    r/0AM}[!*j  
    Y;dqrA>@  
    uBC#4cX`D*  
    总结 tn(6T^u  
    - &)  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "avG#rsH  
    1.模拟 9J<vkxG9`  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ' 8Q }pp`  
    2.评估 5a2;@ }%V  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ygK,t*T20  
    3.优化 `}a-prT<f  
    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。 GW7+#  
    4.分析 "{~^EQq,  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bhfKhXh8  
    }We-sZ/w7r  
    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。 Q#&6J=}  
    3u s^\w#  
    详述案例 R[m+s=+  
    Kv#Q$$)r  
    系统参数 F+W{R+6  
    5*Dh#FRp  
    案例的内容和目标 Wi~?2-!  
    7x*C` Et<x  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 KR%NgV+}!0  
    [8 23w.{]#  
    -afNiNiY  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 _b * gg  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 (I{+ %  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 R(f%*S4  
    {Wr5F9q  
    模拟任务:反射光束整形设置 k[*> nE  
    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。 TpHzf3.I  
    @Q!Tvw/  
    SF"r</c[  
    'S9jMyZrZ  
    fEGnI\  
     DD[<J:6  
    规格:像散激光光束 0^F!-b^z  
    &F*eo`o}6  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 S&Hgr_/}c  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 v[jg|s&6"  
    o}52Qio  
    Odw9]`,T  
    1>umf~%Wa  
    L;6{0b58 $  
    X2YBZA  
    规格:柱形抛物面反射镜
    m;U_oxb  
                             <uo@k'   
     有抛物面曲率的圆柱镜 yEkwdx5!(  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 hdH3Jb_hl(  
     曲率半径等于焦距的两倍 o Z%oP V:  
    g?u=n`k]\  
    S2#@j#\  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) c&PaJm  
    *-E'$  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 02YmV%  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) xgvwH?<  
     离轴角决定了截切区域 `1lGAKv  
    ^bLFY9hSC  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) \Y6r !D9  
    \86NV="U  
       | _nBiHjNn  
    #W4 "^#2  
    光束整形装置的光路图 ku#WQL  
    nUCOHVI7  
    jZiz 0[  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 h" f_T [  
     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。 lx> ."rW  
    h:KEhj\d?  
    反射光束整形系统的3D视图 \4O_@d`A  
    vb9C&#  
    %Y9CZRY 9  
    YhP+{Y8t  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 .d?LRf  
     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)。 {/qQ=$t  
    OMBH[_  
    详述案例 !&5*H06  
    >.uIp4@(  
    模拟和结果 F'T.-lEO_d  
    mri g5{  
    结果:3D系统光线扫描分析 aYc^ 9*7  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 2G_]Y8  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N686~  
    Q07&7SH_  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd d)d0,fi?-  
    h-DHIk3/  
    使用参数耦合来设置系统 dk0} q6~  
    -&lD0p>*g  
    3^-\=taN<m  
    自由参数: ClNuO  
     反射镜1后y方向的光束半径 o4agaA3k  
     反射镜2后的光束半径 bV+2U  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) U/_hH*N"!  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 MSB/O.  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 m^w{:\p  
    TIK'A<  
    F3L+X5D.yu  
    t/l<X]o  
    ,hm&]  
    yq[@Cw  
    Lyit`j~yH  
    自由参数: ~ e a K]|  
     反射镜1后y方向的光束半径 8\jsGN.$JZ  
     反射镜2后的光束半径 l hST%3Ld  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) .hnq>R\  
     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。 3$.#\*s_4  
    R iFUa $  
    $V F$Ok>  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 kdaq_O:s  
    #WS>Z3AY  
    EK&0Cn3z  
    结果:使用GFT+进行光束整形 wJ"]H!r0  
    6Cfsh<]b  
    !OMCsUZ  
    L\V`ou  
    u'T-}95 V  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 }$ Kd-cj+  
    E'NS$,h  
    \[]?9Z=n  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 /rky  
    U+C ^"[B  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 ) $0>L5d:  
    {|B[[W\TN  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: l]gW_wUQd  
    Xz9[0;Q  
    &9"Y:),  
    :Gew8G  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Vhr6bu]  
    !~V^GlY  
    结果:评估光束参数  V^rL  
    ;>S|?M4GZ  
    *||Q_tlz  
     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。 9ExI,  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 &I%E8E  
    IW-|"5?9'  
    ]2 $T 6  
     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。 G*jq5_6  
     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) i0zrXaKV  
    xW2?\em  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ia3!&rZ  
    *2rc Y  
    光束质量优化 X(\L1N  
    WW2hwB (  
    )lz~Rt;1i  
     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。 7[!dm_  
     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)。
    B9%%jEH*  
    yH>C7M7 t  
    结果:光束质量优化 Bf6i{`!G  
    c?REDj2  
    *)Cr1d k  
     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。 4O/IT1+A  
    g-1j#V`5  
    5&O%0`t  
    KY%{'"'u  
     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。) H8=:LF  
    pOh<I {r1  
    )xKW  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd nh"dPE7^  
    u[oV Jvc  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 E!BzE_|i  
    $EEn]y  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 P}qpy\/(4  
    es~1@Jb  
    p \9}}t7n  
     这意味着参数变化是的正态 Pai8r%Zfu  
    = ^Vp \  
    iz{TSU  
    os&FrtDg  
    lI+^}-<  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 DEt!/a{X  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 .N@+Ms3  
    TbN{ex*  
    SynRi/BRmw  
    /wl]kGF  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run x5V))~Ou  
    qvK/}  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) r| )45@  
    DdU w~n,  
    kFC*,  
    XgM&0lVT  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 BG= J8  
    oif|X7H;  
    总结 Cb`,N  
    L F} d  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )tnbl"0  
    1.模拟 f}p`<z   
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 odC"#Rb  
    2.研究 \7>*ULP  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 ^y KkWB*  
    3.优化 9V[}#(f$  
    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。 Zq<j}vVJ  
    4.分析 `9+R]C]z8  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 k0#s{<I]E  
    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。 w0lgB%97p  
    au/LoO#6Ro  
    参考文献 gmgri   
    [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). tHHJ|4C  
    E2YVl%.  
    进一步阅读 c5b }q@nH  
    0t}v@-abU  
    进一步阅读 8q9ATB-^>  
     获得入门视频 1X5Yp|Ho  
    - 介绍光路图 6M_:D  
    - 介绍参数运行 :z&kbG  
     关于案例的文档 v'b%m8  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens P=KhR&gwV~  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens X0-PJ-\aD@  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing *w O~RnP  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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