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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) 86\S?=J-b  
    RW}"2  
    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 x >^Si/t  
    <~n$1aA  
    H8`(O"V  
    9M1d%jT  
    简述案例
    d\ ~QBr?  
    W~p/,HcM  
    系统详情 H)>;/#!r-  
    光源 yZ7,QsEsN  
    - 强象散VIS激光二极管 YJl("MZ  
     元件 E Kz'&Gu  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ]f_6 '|5 A  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 `zE}1M%y  
     探测器 >$,y5 AJ&  
    - 光线可视化(3D显示) y;AL'vm9  
    - 波前差探测 8krpowVs~  
    - 场分布和相位计算 Jte#ZnP  
    - 光束参数(M2值,发散角) =n' 4?W@  
     模拟/设计 `A,g] 1C:  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 }-o{ASC#  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): SJ};TEA  
     分析和优化整形光束质量 mK [0L  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 *L'>U[Pl7  
    /M*a,o  
    系统说明 j~e;DO  
    \;mH(-  
    Iz{R}#8CZ  
    模拟和设计结果 =T7A]U]  
    zKsz*xv6b  
    *mMEl]+  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 o,!T2&}  
    Z+StB15  
    pIKSs<IP  
    #zR bx  
    Iy.rqc/86  
    总结  aKd+CO:  
    Y"6w,_'m  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,s_T pq  
    1.模拟 Zb134b'  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 WwUv5GZTW  
    2.评估 L:k9# 6  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 F1Hh7 F  
    3.优化 >N?2""  
    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。 vQa'S-@u  
    4.分析 bug Ot7  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 hAjM1UQ,Y  
    AT\qiznvP  
    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。 W.1As{  
    ~(@ E`s&{  
    详述案例 &V<W>Y>|l*  
    6Kj'Zy VL  
    系统参数 Cua%1]"4w  
    U7DCx=B  
    案例的内容和目标 fI7j):h;  
    XJ0oS32_wK  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 o8Z[+;  
    q;:6_Qr  
    D r~=o%  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2Gs$?}"a  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 V&|!RxWK  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 atW'  
    k3t78Qg  
    模拟任务:反射光束整形设置 fbkd"7u  
    引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 wM _ 6{  
    rO:u6."_  
    B<~U3b  
    :Yj) CGl$  
    ZK'-U,Y.H7  
    '/I:^9  
    规格:像散激光光束 3~qR  
    4W#E`9 6u  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 L}yyaM)  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 EOoZoVdzx  
    jkF8\dR  
    $j 5,%\4<  
    nSCWg=E^  
    D5an\gE  
    e62Dx#IY  
    规格:柱形抛物面反射镜
    /V?H4z[G  
                             =]>NDWqpHN  
     有抛物面曲率的圆柱镜 6UE(f@  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 "|m|E/Z-9  
     曲率半径等于焦距的两倍 =D^TK-H  
    ;_:Ool,  
    IAOcKQ3  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) K$ v"Uk  
    Ft@Wyo`^  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 +} mk>e/  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) m4[g6pNx~  
     离轴角决定了截切区域 %o}(sShS  
    t+nRw?Z  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) 1|?K\B  
    w#^U45y1v  
       X[W]=yJJ  
    ~^vC,]hU  
    光束整形装置的光路图 p[2GkP  
    ~B$b)`*  
    Q!M)xNl/  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 YGsS4ia*4i  
     因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 0 3~Ikll  
    LihjGkj\g  
    反射光束整形系统的3D视图 qXXGF_Q  
    M_``'gw  
    [k]|Qi nk  
    +^6}   
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 y@wF_WX2  
     绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 }xFi& <  
    Vdn.)ir~P  
    详述案例 y5 m!*=`l`  
     <1&Ke  
    模拟和结果 o7+>G~i  
    ^t[HoFRa  
    结果:3D系统光线扫描分析 2*U.^]~"{  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 4B?!THjk  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Gowp <9 F  
    :[M[(  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c#b:3dXx9  
    Ak~4|w-  
    使用参数耦合来设置系统 cbKL$|  
    &14W vAU  
    Poa?Ej  
    自由参数: ,M3z!=oIGn  
     反射镜1后y方向的光束半径 J< JBdk  
     反射镜2后的光束半径 J  fcMca  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) eSl-9 ^  
     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。 -cNx1et  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 fY2wDD  
    9e<Zgr?N  
    Xz;b,C&*t  
    #1$}S=8*f  
     d^39t4  
    ^Y^"'"  
    wVi%oSfM  
    自由参数: =hw^P%Zn  
     反射镜1后y方向的光束半径 Xy#V Q{!  
     反射镜2后的光束半径 t ,qul4y}  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) "7?js $  
     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。 |0{ i9 .=  
    W81o"TR|pt  
    J"[3~&em  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ~,}s(`~   
    jeDlH6X'  
    F>:%Cyo0!  
    结果:使用GFT+进行光束整形 L(WOet('  
    \iMyo  
    <<3+g"enno  
    Ugi5OKdj7)  
    [Hcaw   
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 lSc,AOXp  
    4`mO+.za1  
    :$"7-a %f  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 k]I*:'178  
    KR3-Hb4  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 X*Z5 P  
    L+Pc<U)T+  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: R!{7OkC  
    #t5juX9Ho9  
    X}apxSd"  
    >rwYDT#m]  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd hU,$|_WDy  
    uFe'$vI  
    结果:评估光束参数 y'rN5J:l  
    e?)yb^7K  
    6H;kJHn  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 'P/taEi=R  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 (G5T%[/U  
    /8p&Qf>lJ1  
    yv${M u  
     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。 \r]('x3S  
     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) `2x34  
    TczXHT}G  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd '?R=P  
    x_ySf!ih  
    光束质量优化 A*Q[k 9B  
    eH=c|m]!P  
    d2ofxfpg+  
     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。 CTU9~~Xk  
     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)。
    &5/JfNe3  
    -ddOh<U>  
    结果:光束质量优化 {@\/a  
    n49s3|#)G  
    -eYL*Pa  
     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。 ?W<cB`J  
    ` Y\QUj  
    !@yQK<0  
    ,$i<@2/=m  
     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。) ~D!ESe*=  
    !>|`ly$6  
    Et0&E  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd i-V0Lm/  
    ^=#!D[xj>  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 tz8t9lb[  
    fSC.+,qk  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 0sabh`iQ^  
    ,A?v,Fs>O[  
    jQIV2TY[  
     这意味着参数变化是的正态 QZYM9a>  
    ]h!*T{:  
    #?5VsD8  
    Dzm qR0)  
    Vdy\4 nu(  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 &0h=4i=6r  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 T@>6 3  
    kpY%&  
    =KW|#]RB^  
    |>[X<>m  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ~{Ua92zV9  
    C0f[eA  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) L]a|vp  
    Vg) ^|  
    0Sz/c+ 6  
    tpd|y|  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 T)O]:v  
    aH9L|BN*  
    总结 3V!W@[ }:  
    =/f74s t  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 PKATw>zg<  
    1.模拟 2"_ 18l.  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 @>Biyb  
    2.研究 G)K9la<p  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 9`E-dr9  
    3.优化 Q)9369<A  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 E'fX&[  
    4.分析 r6<ArX$Yl  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 2@4MC`&  
    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。 ir"* iL=  
    Z^C!RSQ  
    参考文献 2GUhV*TN  
    [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). MQhYJ01i  
    yW'BrTw  
    进一步阅读 a#>t+.dd  
    Psg +\14  
    进一步阅读 @$_rEdwi  
     获得入门视频 Y~<rQ  
    - 介绍光路图 #NSaY+V  
    - 介绍参数运行 8HB?=a2Q<'  
     关于案例的文档 Y&~5k;>'_  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens @)+i{Niuv  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Pm'.,?"  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing l ,ZzB,"  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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