[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Hbj:CViYq  
u$ / ]59  
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 .2-JV0
  
^+l\YB7pD  
Pj5#G0i%  
qc4"0Ap'  
简述案例 $}c@S0%P"  
\36;csu  
系统详情 [";5s&)q  
 光源 '|R@k_nx  
- 强象散VIS激光二极管 D{d$L9.  
 元件 +g7nM7,1a  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） wg~`Md  
- 具有高斯振幅调制的光阑 0\<-R  
 探测器 s !vROJ  
- 光线可视化（3D显示） l,2z5p  
- 波前差探测 40sLZa)e  
- 场分布和相位计算 PvBbtC-9b  
- 光束参数（M2值，发散角） y!D`.'  
 模拟/设计 Y,"MQFr(o  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 -ZON']|<}k  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： @BW8`Ky
1  
 分析和优化整形光束质量 1EPOYvf%U  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 E"yf!*  
~,65/O  
系统说明 {!?RG\EYN  
s;M*5|-  
.v&h>@'m  
模拟和设计结果 Bj
[/tQ  
0-~x[\>>  
数值探测器结果 F|K4zhK
 
oKJ7i,xT  
~,1q :Kue  
m =F@CA~C  
*c c+
Fd  
总结 |;-r};  
ng*E9Puu[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <~*Ol+/  
1.模拟 OkUpgXU  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。
!QspmCo+  
2.评估 jch8d(`?d  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 <%7 V`,*g/  
3.优化 /~5YTe(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。 s@iCfXU  
4.分析 o+Z9h1z%,  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 X($SBUS6  
R u-rp^a  
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。 ][1u:V/ U  
EC&,0i4n:  
详述案例 =Q/>g6  
*v3 |  
系统参数 W (=B H  
[wG%@0\  
案例的内容和目标 >Mr
U^t  
x@}Fn:c!5  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 34:EpZO@  
DdO'  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 lM"7 Z  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 e_-/p`9  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 mK4|=Q  
jtY~-@*  
模拟任务：反射光束整形设置 ;)a9Y?
  
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。 "6QMa,)D  
V,5}hQJ F  
Zx 1z hc  
- S-1<xR  
Th^#H  
%MNV 5UA[w  
规格：像散激光光束 nWu4HFi  
L{p
g?#\yC  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 R!G7;m'N1  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 EPRs%(w`  
18`%WUPnT  
N2e<Y_T  
KLW+&.re8  
xv
l  
X+8p2xSO|  
规格：柱形抛物面反射镜 a6P.Zf7  
                         fk1f'M)/8  
 有抛物面曲率的圆柱镜 -~fI|A^  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ,[L$  
 曲率半径等于焦距的两倍 q+~CA[H5K  
zmRK%a(  
q(Q9FonU  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） n.RhA-O  
UUqj?'Nv  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 au*jMcq  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） qH"a!  
 离轴角决定了截切区域 aM!#  
gwT,D.'Ut  
规格：参数概述（12° x 46°光束） yw!`1#3.  
LP /4e`  
   GGtrH~zx
  
2z3A"HrlA  
光束整形装置的光路图 {fD#=  
=)8fE*[s  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Mk?
I}  
 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。 B$EP'5@b  
5V!XD9P'  
反射光束整形系统的3D视图 |
"v{RC0  
':4pH#E  
@un }&URp  
&Sa~Wtm|*  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ts>}>}@vc  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 vy2aNUmt  
3=7h+ZgB  
详述案例 ifZNl,  
p>3'77 V  
模拟和结果 3>v0W@C  
\}NWR{=  
结果：3D系统光线扫描分析 Y3>\;W*?  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Un{ln*AR\  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 0u2uYiE-l  
XtdLKYET  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd e8<nPt`C  
#SNI dc>9\  
使用参数耦合来设置系统 _!p3M3"$B  
C/VYu-p%  
5T#D5Z<m  
自由参数： u6T?oK9j  
 反射镜1后y方向的光束半径 REBDr;tv  
 反射镜2后的光束半径 j],.`Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） olxP`iK  
 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。 ZY$@_DOB}  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ;@~*z4U  
e/jM+%  
^VPl>jTg  
:9#{p^:o  
gi@ji-10  
?I#hrv@  
Hd`p_?3]  
自由参数： { BL1j  
 反射镜1后y方向的光束半径 n3j h\  
 反射镜2后的光束半径 }/3pC a  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Q.dy $`\  
 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。 >I~
z7JS  
^T6!z^g1h  
W+C_=7_  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 i9U_r._qj;  
[=3tAPpzK  

0(9@GIT  
结果：使用GFT+进行光束整形 z}2e;d 7  
~c$ts&Cl  
[j U  
N4|q2Jvj6  
eE`1;13;  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 YKOO(?lv  
?$4R <  
'?3z6%
 
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 h^$
}1[  
\OT)KVwO  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 'oQP:*Btl3  
G5y  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Cy:`pYxhd  
MYSc*G  
_D,f4.R  
Cf=q_\0|W  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd "`*a)'.'^c  
3b\8907  
结果：评估光束参数 l~!fQ$~  
q}v04Yy,o  
x$J
.SbW  
 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。 L(2P|{C  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 #IGoz|m  
;Pqyu ?  
tDHHQ  
 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。 Yj7= T%5  
 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） /,N!g_"Z  
Y\Qxdq  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 8w8I:*  
^lc}FN  
光束质量优化 A~GtK\=;  
>{qK]xj  
lH@
E%  
 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。 _Z66[T+M  
 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）。 !:O/|.+Vmf  
UQ.D!q  
结果：光束质量优化 m9<%v0r  
*(&ClUQQ  
h?3,B0G  
 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。 M?~<w)L}  
K l0tyeT  
^c0$pqZ}r  
FO(0D?PCR  
 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。） <r+!hJ[s'  
Q^MXiEO+  
$,e?X}4  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd [bi3%yWh  
hi3sOK*r;<  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 teOBsFy/I  
gAr`hXO  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 &Ky 
u@Tt  
yw*mA1v  
s\Pt,I@Y_  
 这意味着参数变化是的正态 2}Z4a\YX  
Y!= k  
UrhM)h?%  
BU]WN7]D$  
yXTK(<'  
 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。 U!\2K~  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 i2FD1*=/?  
;]&~D +XH  
y  KYP  
txml*/zL  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ^YG7dd_  
Hw?2XDv 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(Q]&&<  
ia^%Wg7  
T}tE/  
=CKuiO.j  
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。 '6o`^u>  
."IJmv  
总结 `*" H/Q
G  
b\?7?g  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Gin_E&%g  
1.模拟 b'7z DZI]  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 mWli}j#  
2.研究 Q&Z4r9+Z  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 $"sq4@N
 
3.优化 ~MhgAC  
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。 h6\3vfj^f  
4.分析 .0 s[{x  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 v
v2vW=\  
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。 O}K
_l1  
\K?(  
参考文献 Qe>i{:N  
[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). ':4}O#  
r=~WMDCz@  
进一步阅读 ceFsGdS  
[lNqT1%]  
进一步阅读 K\IYx|Hm a  
 获得入门视频 &Y54QE".  
- 介绍光路图 _{LN{iqDv  
- 介绍参数运行 %@}o'=[  
 关于案例的文档 'yPCZ`5H(  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens t&GA6ML#s  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens bQ-Gp;]  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing {OB-J\7Y  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair