[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） d>r]xXB6  
Bi"cWO  
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 )oM% N  
km`";gUp>  
TQ[J,  
]XL=S|tIq  
简述案例 F<dhG>E9  
uBC#4cX`D*  
系统详情 tn(6T^u  
 光源 !.4q{YWcYk  
- 强象散VIS激光二极管 E(f|LG[I  
 元件 9J<vkxG9`  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） V{\1qg{  
- 具有高斯振幅调制的光阑 c`\qupnY  
 探测器 mQ<Vwx0  
- 光线可视化（3D显示） Z]5xy_La  
- 波前差探测 %;Z_`W  
- 场分布和相位计算 &b-&0rTqz  
- 光束参数（M2值，发散角） tZ*>S]qD  
 模拟/设计
(#qQ;ch  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 vo~Qo;m  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： $`lGPi(Jc  
 分析和优化整形光束质量 wARd^Iw  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 @B?'Mu*  
%.fwNS  
系统说明 TIF =fQ  
8hSw4S"$  
y"K[#&,0  
模拟和设计结果 hxw6^EA  
J$`5KbT3  
数值探测器结果 8\PI1U  
tCu.
Fc@  
bcAk$tA2  
-f?,%6(1  
ItZ*$I1<  
总结 9w1`_r[J  
U_UN& /f  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
qmNG|U&  
1.模拟 R#rfnP >  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 %"|W qxv  
2.评估 Tv|iCYB?  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 e YiqTWn:  
3.优化 LF+E5{=:R  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 (SA^>r  
4.分析 c;n\HYk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 H}8kku>7  
%P C[-(Q  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 Pv*]AF;9pQ  
/7ykmW  
详述案例 fOP3`G^\  
y3P4]sq  
系统参数 B f.- 5  
8RS@YO  
案例的内容和目标 VLfKN)g  
_Y)Wi[  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 bH%d*  
E0u&hBd3_  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 [88PCA:  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 *{O[}  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 s+h}O}RV  
Bt(nm>Ng  
模拟任务：反射光束整形设置 e`K{  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 x((Rm_'  
*0_Q0SeE,o  
O]oH}#5b  
4MCj*ok<  
y<l
(F?_  
]UGk"s5A  
规格：像散激光光束 N).'>  
oA;ZDO06r  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 K.b:ae^k  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 E=]|v+#~  
%{?9#))  
E9' 2_e  
bzECNi5^  
~9@83Cs2  
l]~IZTC  
规格：柱形抛物面反射镜 Ue!yK  
                         3KtJT&RuL  
 有抛物面曲率的圆柱镜 -Q|]C{r  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 s? 2ikJq  
 曲率半径等于焦距的两倍 bas1(/|S  
9|m:2["|?  
ryb81.|  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） |<MSV KW  
7j
88^59  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 {+EnJ"  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） FbXur-et^  
 离轴角决定了截切区域 s(r4m/  
{HFx+<
JG  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 'LR|DS[Ne  
,vAcri 97  
   U.Y7]#P:  
`^|l+TJG  
光束整形装置的光路图 1*.*\4xo  
PZI6{KOis  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 5kojh _\  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 +zEyCx=8H  
)jh~jU?c@  
反射光束整形系统的3D视图 3PlIn0+LX  
lNTbd"}$:  
*;U<b  
-lR7 @S  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 rbl^ aik  
 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）。 d\25  
o'8nQ Tao  
详述案例 7xfS%'=y"  
/QQjb4S}  
模拟和结果 s'bTP(wl9  
n
cTMcu  
结果：3D系统光线扫描分析 Y~?Z'uR  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 $EzWUt  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 PKQ.gPu6*@  
A2$05a$%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !OMCsUZ  
hE<Sm*HU  
使用参数耦合来设置系统 u'T-}95 V  
}$ Kd-cj+  
E'NS$,h  
自由参数： \[]?9Z=n  
 反射镜1后y方向的光束半径 ce; zn\  
 反射镜2后的光束半径 0& ?L%Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） #T@k(Bz{L  
 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。 Ul}<@d9: B  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 NK'@.=$  
ZT8LMPC  
;lfv.-u:<  
y|zIuI-p  
KP7 {  
d8U<V<H<  
]&dPY[~,/i  
自由参数： 6Nt/>[  
 反射镜1后y方向的光束半径 y~su1wUp  
 反射镜2后的光束半径 9A/bA|
$  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） "h|kf% W  
 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>2oz  
9,JWi{lIv  
9hh~u -8L  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 j(k}NWPH  
) .KMZ]  
,eWLig  
结果：使用GFT+进行光束整形 DIJmISk  
@th94tk,  
! h92dH  
upX@8WxR  
_pDfPLlY&  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 U<E]c 4*  
B|,d  
Pn6~66a6  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 OiS\tK?|GV  
xGOVMo +  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 p1K]m>Y{?  
<XtE|LG  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Xo&\~b#-  
/7fd"U$Lh  
fre5{=@  
F^aD#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 7(a1@VH  
"z;R"sv\  
结果：评估光束参数 9NNXj^7
  
]>Gi_20*
.  
I)s_f5'  
 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。 TdT`Vf  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 l2}X\N&q  
)!caOGvhJ  
{cb<9Fii  
 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。 Jb^{o+s53  
 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） ^!0z+M:>^  
M ?AX:0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd /oLY\>pD  
4>a(!ht  
光束质量优化 }`%ks  
C'R6mz%Q?  
1uCF9P ai  
 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。 YbnXAi\y|  
 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）。 ts}OE  
qvK/}  
结果：光束质量优化 Q\T?t
 
~P"Agpx3u  

{$i>\)  
 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。 5Pxx)F9]  
{K6Z.-.`  
wf &Jd:)4t  
41s\^'^&  
 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。） 9 wbQ$>G9  
ZS;V?]\(  
V*5v JF0j  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 2|d^#8)ZC  
<lWj-+m  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 kS=nH9  
q\|RI;W  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 X1o^MMpz(F  
|WEl5bNc3  

!H[01  
 这意味着参数变化是的正态 'GX x|.  
~zG)<S"q  
XWQ
`]m)  
R=&-nC5e  
!{+.)%d'g  
 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。 gx',K1T  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 32?'jRN(ue  
$eG_LY 1v  
H{,1-&>|  
&qWB\m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run D,[Nn_N  
II|;_j  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） @ =~k[
o  
NN1}P'6Ha  
Ui"{0%  
N6\rjYx+7  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 oz)4YBf  
1"75+Q>D  
总结 e&U$;sS`  
Wf"GA i  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _$5DK%M}  
1.模拟 cz/cY:o)  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 !<HMMf,-D  
2.研究 qe&B$3D|  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ,Xfu?Yan  
3.优化 (a8iCci:   
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。 r|DIf28MIq  
4.分析 CfP-oFHoQ  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 !ehjLFS?_  
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。 eOF*|9  
.5o~^  
参考文献 f\_PNZCc  
[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). EPH" 5$8  
l9="ccM  
进一步阅读 KsE$^`  
v;9(FLtL  
进一步阅读 ;-@: }/  
 获得入门视频 o:W*#dt
 
- 介绍光路图 L6Brs"9B  
- 介绍参数运行 WysWg7,r  
 关于案例的文档 D"$Y, d  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens :{iH(ae;  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens +~aIT=i3  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing AG9DJ{T  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair