[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） g#T8WX{(V  
+.NopI3:  
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 wSBDJvI  
kuqf(  
Mq8jPjL  
Z@=#ry  
简述案例 ^LX1&yT@  
a>G|t5w  
系统详情 N)WAzH  
 光源 FhHcS>]:.  
- 强象散VIS激光二极管
hj4Kv  
 元件 /T!S)FD\/v  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） #B_ ``XV  
- 具有高斯振幅调制的光阑 -P^ 6b(  
 探测器 +K])&}Dw  
- 光线可视化（3D显示） Szsq|T  
- 波前差探测 8S"vRR  
- 场分布和相位计算 ng;,;o.  
- 光束参数（M2值，发散角） E?m(&O j  
 模拟/设计 wWQv]c%  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 HE,# pj(D  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ,nD:W  
 分析和优化整形光束质量 rp (nGiI  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |x3.r t  
MD%_Z/NL  
系统说明 p
'fU}B1  
1D sgU6"  
G>qzAgA  
模拟和设计结果 _pnJ/YE  
$*tq$DZ4&  
数值探测器结果 l\vtz5L  
M}kt q)  
ggR@& \  
gBA UrY%]  
,|,DXw  
总结 nlQ<Aa-%  
t9685s  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Pwn"!pk  
1.模拟 %6}S1fuA  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -K9bC3H  
2.评估 nw){}g  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 AL74q[>  
3.优化 z|;7;TwA  
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。 `j{q$Y=AG  
4.分析 Av:5v3%  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 fgVeB;k|  
;cgc\xm>  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 (vMC.y5  
@-|{qP=Dy  
详述案例 {p&LwTnf  
B#9rqC  
系统参数 2UU5\ jV6  
5-3`@
(/  
案例的内容和目标 x2(!r3a  
1bs8fUPB3  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ~$-Nl  
20h|e+3  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ]V\qX+K  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 u4*7n-(  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 %T4htZa  
?9hw]Q6r}  
模拟任务：反射光束整形设置 JDrh-6Zgj  
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。 qfE>N?/  
}JyWy_Y  
28J ;9  
<8nl}^d5  
STmn%&  
iTJSW  
规格：像散激光光束 '~Uo+<v$w  
a=}JW]  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ICwhqH&  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 `oQ)qa_  
q|,cMPS3  
gU1E6V-Jm  
\lwYDPY:  
<+ 0cQq=2  
R?@F%J;tx  
规格：柱形抛物面反射镜 ov>Rvy  
                         
EooQLZ  
 有抛物面曲率的圆柱镜 k9H7(nS{  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Z |wM  
 曲率半径等于焦距的两倍 \-3\lZ3qj  
|d}f\a`  
LnZzY0  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） }`M53>C,gQ  
ip6$Z3[)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 `|@#~  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） o;bK 7D  
 离轴角决定了截切区域 n4
6A  
)QS4Z{)U  
规格：参数概述（12° x 46°光束） m:|jv|f  
rF C6"_  
   f@U\2r  
Z@ AHe`A  
光束整形装置的光路图 "J:~Aa%
_  
q2v:lSFY  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 :.KN;+tP  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 q0|u vt"  
pm$ZKM  
反射光束整形系统的3D视图 W'2T7ha Es  
9+<%74|,  
i oCoFj  
V mxVE=l  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 HsrIw  
 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）。 V/w:^@5+p  
E#3KWp#
M  
详述案例 0].x8{~o  
p0Cp\.  
模拟和结果 l(X8 cHAi  
&6!~Q,;K-  
结果：3D系统光线扫描分析 ;M,u,KH)/  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 !9GJ9ZEXM  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 o!.\+[  
{z)&=v@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;{1J{-
EA  
l|#WQXs*c{  
使用参数耦合来设置系统 4.]xK2sW  
(eX9O4  
v@zpF)|  
自由参数： \~V ZY  
 反射镜1后y方向的光束半径 d&S4`\g?
8  
 反射镜2后的光束半径 @oC# k<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Z9cg,#(D  
 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。  ut6M$d4  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 
D(3\m)  
yn&AMq ]o  
X r7pFw  
zJ;K4)"j  
v(ABZNIn  
R#j-Z#/"  
gucd]VH  
自由参数： _?UW,5=O  
 反射镜1后y方向的光束半径 _@es9  
 反射镜2后的光束半径 'qD5  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） w k1O*_76  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 Wtl0qug  
gH87e  
X4<!E#  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 =)Z!qjf1U  
O6rrv,+_L  
|Ad1/>8i  
结果：使用GFT+进行光束整形 /4 zO  
B35zmFX|}N  
"=~P&Mi_  
.ZSGnbJ  
.<`W2*1  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -$pS {q;  
&cj/8A5-  
oicett=5  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 {0(:7IY,  
a }6Fj&hj  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 L||_
Jsu  
u3{gX{so  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 1_JxDT,=>  
\Ol3kx|  
X]'Hz@$N  
wk {9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd M1._{Jw5  
_!FM^N}|  
结果：评估光束参数 w)bLdQ  
K`.wj8zGY  
p%304oP6  
 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。 wn*z*  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 N*t91 X  
U^_'e_)  
75Xi%mlE7  
 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。 oo\0X  
 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） KMz\h2X  
b`Wn98s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Qy ; M:q  
iQ= %iou  
光束质量优化 $cO"1mu  
i<D}"h|  
QZufQRfr{  
 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。 G~ZDXQ>5CP  
 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）。 ]2n&DJu  
W(*:8}m,p  
结果：光束质量优化 Vv(!Ki}  
o/I<)sa  
b6D}GuW  
 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。 =J.)xDx*  
OwIW;8Z  
2,Y8ML<  
=YX/]g|9K  
 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。） W5-p0,?[6  
3j.Ft*SV  
~CRr)(M  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd bAeN>~WvY  
8F0+\40  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 qF6
YH  
:W5*fE(i  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ]*{QVn(  
<!:,(V>F(C  
+MC>?rr_u  
 这意味着参数变化是的正态 ).eT~e Gj  
|u)?h]>  
W|=?-
 
HzB&+c?Z  
/:>f$k4~h  
 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。 rtDm<aUh  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 @f0~a  
z Q NL){  
)rD] y2^<  
/ /qTMxn  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Oa~t&s  
P]2M  
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） ~az6n)  
AO;`k]0e  
?/"@WP9  
9;Ezm<VQ  
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。 3y>
.1  
f(DGC
2R <  
总结 +3vK=d_Va  
Ig1cf9 :  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yY*OAC  
1.模拟 HKP\`KBCj  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Js qze'BGY  
2.研究 /-4i"|  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 @{.rDz
 
3.优化 6KhHS@Z  
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。 ,KkENp_  
4.分析 >8SX,  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 5d|*E_yu  
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。 {a_=4a  
HhNH"b&  
参考文献 qsFA~{o.  
[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). {i^ ?XdM  
^`YSl*:  
进一步阅读 Q"
VFcp:  
xN2M|E]  
进一步阅读 Opmb   
 获得入门视频 F$ Us! NN  
- 介绍光路图 c@ En4[a'  
- 介绍参数运行 Gyy:.]>&  
 关于案例的文档 X =S;8=N  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Rjo6Pd{d<  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 9R>A,x(
  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing o&*1Mx<+  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair