[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） M h5>@-fEE  
;u "BCW  
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 sAec*Q(R  
Uc<j{U ,  
9et%Hn.K'  
% A8dO+W  
简述案例 }:2GD0Ru  
J52- qR/  
系统详情 vRn
"0Mzl8  
 光源 c mI&R(  
- 强象散VIS激光二极管 /6PL  
 元件 B%Vz -t  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 896oz>  
- 具有高斯振幅调制的光阑 z.%K5vrO>  
 探测器 _Nmc1azS  
- 光线可视化（3D显示） C}>Pn{wY9  
- 波前差探测 F.[E;gOTo  
- 场分布和相位计算 =@EX!]=x  
- 光束参数（M2值，发散角） y-i6StJ  
 模拟/设计 M8HHyV[AmC  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Gl@}b\TB  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： @0{vA\  
 分析和优化整形光束质量 8Z:T.Gc  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 E+$%88  
PH]/*LEj  
系统说明 -SGoE=  
SZ'2/#R>  
c&AJFED]<  
模拟和设计结果 v@^P4cu;  
OPtFz6  
数值探测器结果 GjD^\d/  
)J<VDO:_YA  
"0ZBPp1q  
'W2B**}  
B !}/4"  
总结 wYLi4jYm  
nhZ^`mP  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Op2@En|d  
1.模拟 j{?ogFfi  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 xh)
h#p.  
2.评估 g&<3Kl  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 z:7
i@m  
3.优化 Y_SB3 $])  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 &}q;,"  
4.分析 rOyKugHe  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ~As/cd>9  
W#@Mx  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 I"5VkeIx  
cFF'ygJ/  
详述案例 ={
]tklND  
Qf:
#{~/  
系统参数 s=BJ7iU_68  
zY^QZceq"  
案例的内容和目标 |_GESpoHH  
RP1sQ6$
 
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 \lBY4j+;  
![l`@NH[U  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 qwomc28O  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 \]y /EOT  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 DbIn3/WNe  
&hco3HfW  
模拟任务：反射光束整形设置 (l]_0-Z  
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。 |K,[[D<R  
-D&d1`N4  
Rxfhk,I  
?Tr\r1s]  

8[\~}Q6  
kx.8VUoM V  
规格：像散激光光束 ]r\d 5  
fUV;3du  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 4u}jkd$]*  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 WLkfo6Nw  
PC55A1(T  
C=zc6C,  
cf{rK`Ff^  
:)g}x&A^$  
\>N"{T  
规格：柱形抛物面反射镜 8^2E77s4U  
                         >9i%Yuy](  
 有抛物面曲率的圆柱镜 5`QN<4?%  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 eX3|<Bf  
 曲率半径等于焦距的两倍 ^EFVjGM  
h(MNH6B1  
4E0 Y=  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） <[Y@
<  
/)/>/4O  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 7S.E,\Tws  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 7:$zSj#y  
 离轴角决定了截切区域 <R.Ipyt.  
#y>q)Ph  
规格：参数概述（12° x 46°光束） t1rAS.z&  
-hpC8YS  
   
KnxK9  
m#a1N  
光束整形装置的光路图 hreG5g9{  
 Ds@nuQ  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 L/*K4xQ  
 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。 a"bael  
_sX@BE  
反射光束整形系统的3D视图 6)j/"9oY  
v FWg0 $,  
)FSa]1t;x  
lSK<LytB  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 i{2ny$55h  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 ||^+(  
>(BAIjF E\  
详述案例 E;-*LT&{  
"*JyNwf  
模拟和结果 u1) #^?  
.X;DI<K  
结果：3D系统光线扫描分析 3\E G  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 <&MY/vV  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ,]H2F']4Z  
@l %x;`E  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bW?cb5C  
PCs`aVZ  
使用参数耦合来设置系统 ;q&2$Mb  
%Gc)
$z/Wd  
:@]%n~x  
自由参数： i&Xjbcbp  
 反射镜1后y方向的光束半径 @D+2dT0[M  
 反射镜2后的光束半径 'wd&O03&  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） LyNLz m5  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 +Vw]DLWR  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 "[`/J?W  
J e.%-7f  
2kW*Z7@D  
K(75)/  
tr@)zM GB  
2P2/]-6s#r  
A40Q~X  
自由参数： GFfZ TA  
 反射镜1后y方向的光束半径 aK5O0`  
 反射镜2后的光束半径 b<8,'QgB  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） J|.n bSE  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ePscSMx&  
&at>sQ'  
4H_Q
Q6  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 yP0XA=,Y  
kX "*kD  
fp?cb2'7  
结果：使用GFT+进行光束整形 A#Ne07d  
YlJ_$Q[  
5\.w\  
/y[zOT6  
>bbvQb+j  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 E@CK.-N|  
8Bwm+LYr-  
,KFF[z  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 UoOxGo  
6~tj"34_  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 W,bu=2K6  
@BoZZ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： n0%5mTUN  
o|Kd\<rY  
;fxrOfb  
%6cbHH  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bsdT>|gW  
<8YIQA  
结果：评估光束参数 5 [X,?  
h{VdW}g  
1BOv|xPjZ  
 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。 8Az|SJ<  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Wp(Rw4j  
4GG0jCNk  
yII+#?D  
 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。 D8\9nHUD`  
 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） Y{g[LG`U  
}S 6h1X  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd _|wnmeL*  
L!0}&i;u~5  
光束质量优化 YYF.0G}  
7=a=@D[  
K:b^@>XH  
 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。 =?[:Nj636  
 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）。 >oL| nwn  
\:9<d@?  
结果：光束质量优化 L3Ivm:  
3v>w$6  
k|3hs('y|  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 %hi]oz  
V>& 1;n  
C@!bd+'  
}#phNn6  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） [i8Ju  
cf%aOHYI*  
1^tM%2rP'  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd <$Djags,F  
?\_vqW  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 FB2{qG3  
*r|Zbxf(  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。  3 EOuJ  
2?kVbF  
-FQc_k?VF  
 这意味着参数变化是的正态 gf70 O
>E  
*0x!C8*`Xe  
~T!D:2G  
;jh.\a_\  
G6pR?K+  
 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。 uoTc c|Kc  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 C=(~[Y  
z[l_<`J$9  
=Y*zF>#lP  
TecWv@.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ce7$# #f  
ubQr[/  
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） 4@=[rZb9  
OmZK~$K_  
J3hhh(  
?N]G;%3/  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 R~BFZF>:  
{v*X}`.h  
总结 3{M0iNc1  
Sobp;OZ5  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 WF-^pfRq~  
1.模拟 r=#v@]zB  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 qRXHaQi@9  
2.研究 zz #IY'dwT  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 #>2cfZ`6'J  
3.优化 \`W8#fob  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ik5"9b-\<  
4.分析 <7o@7r'0  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 M$e$%kPShE  
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。 d?><+!a  
mh35S!I3I^  
参考文献
)h1 `?q:5  
[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). $]MOAj"LH  
8#IEE|1  
进一步阅读 c 6/lfgN  
cd] X5)$h  
进一步阅读 rB_ESNx  
 获得入门视频 L#fSP  
- 介绍光路图 64D4*GQ  
- 介绍参数运行 5uU{!JuSa  
 关于案例的文档 T#a6X;9P  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens lHO.pN`2  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens orhzeOi\  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 1-Q>[Uz,  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair