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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    离线infotek
    科学家
     
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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） P2U^%_~  
    +7<W.Zii  
    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 =tP%K*Il4  
    :eL{&&6  
     _h?hFs,N]  
    TBAF_$  
    简述案例     L5-p0O`R  
    M>eMDCB\  
    系统详情 [&Yrnkgr  
    光源 Y@jO#6R  
    - 强象散VIS激光二极管 E79'<;K,zs  
     元件 "s$$M\)T  
    - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） n(#|  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 cdBD.sg  
     探测器 ZGa;'  
    - 光线可视化（3D显示） fJiY~mQ  
    - 波前差探测 bdS  
    - 场分布和相位计算 50< QF  
    - 光束参数（M2值，发散角） uWtj?Q+M|  
     模拟/设计 e-Pn,j  
    - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ;hz;|\ko5  
    - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： *Y:;fl +v  
     分析和优化整形光束质量 G\X}gqe(OJ  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 4qsP/`8  
    zs=[C+Z\  
    系统说明 yH9(ru  
    }0y2k7^]  
    jTeHI|b  
    模拟和设计结果 O`M 6 =\  
    rEoMj)~\4&  
    n'5LY9"  
    场（强度）分布                                   优化后
    数值探测器结果 h4 X=d5qd  
    [C>>j;q%  
    R^hlfKnt  
     QWncKE,O$  
    ^\(<s  
    总结 DN$[rCi7  
     H Q_IQ+  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 s"'ns  
    1.模拟 uht>@ WSg|  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 TJO?BX_9  
    2.评估 hI$IBf>  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 99KW("C1F  
    3.优化 * ^+]`S  
    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。 Pg''>6w>  
    4.分析 [C0"vOTUb  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 _spW~"|G  
    ` P,-NVB  
    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。 X-_ $jKfM  
    +{r~-Rn3  
    详述案例 !*\ J4bJe  
     ]4X08Cm^  
    系统参数 _?I6[Mz  
    aA6m5  
    案例的内容和目标 j=up7395  
     fi tsu"G  
    在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。  d5YL=o  
    {hH8+4c7  
    yt4sg/] :  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 N hY`_?)  
     之后，研究并优化整形光束的质量。 HOr.(gL!  
     另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 <1pRAN0  
    ^&z3zFTp  
    模拟任务：反射光束整形设置 v[b|J7k  
    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。 j9 d^8)O,  
     DUMC4+i  
    0hpU9w}12  
    o]<@E uG  
    ;uhpo  
    sDZ<X A  
    规格：像散激光光束 C9j3|]nyL  
    Njmb{L]Cps  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 wZsjbNf`K  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 <*@!>6mS  
     Swxur+hfH  
    -d]v6q'1  
    .P(A x:g  
     wlEmy.)H  
    nkO4~p  
    规格：柱形抛物面反射镜     G@4n]c_  
                             7csMk5NU'<  
     有抛物面曲率的圆柱镜 (o2.*x  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 nhLw&V3y  
     曲率半径等于焦距的两倍 y;VmA#k`  
    w?JM;'<AYQ  
    7.nNz&UG]5  
    规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Ro.br:'Bw  
    mum4Uj  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 9!,f4&G`  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） APv& ^\oUH  
     离轴角决定了截切区域 C5^9D  
    mNPz%B  
      
    规格：参数概述（12° x 46°光束） ~93#L_V_O  
    Ol)M0u  
       M=sGPPj  
    KN:V:8:J  
    光束整形装置的光路图 4vMjVbr  
    P0l.sVqL  
    G DwijZw  
     由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 2&0#'Tb  
     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。 _}l7f  
    #^9a[ZLj0  
    反射光束整形系统的3D视图 3a?dNwM@  
    *@fVogr^  
     <.U(%`|  
    ] ?k\ qS  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 T1A/>\Ns  
     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）。 suFO~/lRno  
    NI2-*G_M  
    详述案例 |HQFqa <  
    bI:cYn1  
    模拟和结果 | W<jN  
    rds0EZ4W  
    结果：3D系统光线扫描分析 "q7pkxEuJ  
     首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ?Vc/mO2X  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 '&F Pk T:5  
     Eikt,  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd DxzNg_E]  
    xeKfc}:&z  
    使用参数耦合来设置系统 $c];&)7q  
    ]Vd1fkXO0  
    zxy/V^mu  
    自由参数： SVi{B*  
     反射镜1后y方向的光束半径 wmaj[e,h  
     反射镜2后的光束半径 T-.Bof(?w  
     视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） |K'7BK_^J  
     由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 s%@HchZ 1  
     对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 !UX7R\qu|  
     +5ue) `  
    PaBqv]  
    ZnRE:=  
    m$A-'*'  
    f4+}k GJN  
     M<3m/l%`Y  
    自由参数： &` weW  
     反射镜1后y方向的光束半径 ntD8:%m  
     反射镜2后的光束半径 r&O:Bt}x  
     视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） OYY_@'D  
     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。 nm !H&#<  
    7=@Mn F`  
    9I*i/fa  
     如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 #yR@.&P  
    )Zit6I  
    Qh,Dcg2ZM"  
    结果：使用GFT+进行光束整形 K&%YTA  
    r]O8|#P,Z$  
    J7$JW3O  
    ~w}Zv0  
    B{-+1f4  
     现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 zK ir  
    @+^5ze\  
    Jkub|w#QH  
     由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 0?\d%J!"S  
    ]?j[P=\  
     不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Avo"jN*<d  
    ?G$X 4KY6`  
     产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ] KR\<MJK  
    rR 3(yy0L  
    >Wr  
    Mf.:y  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd P] 9-+  
    U\`H0'  
    结果：评估光束参数 X?Z#k~JR  
    [iT#Pu5  
    6>; dJV  
     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。 N!#TK9  
     在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 /b~|(g31"  
    9lCZ i?  
    4XsKOv  
     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。 ZHW|P  
     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） *<T,Fyc|  
    o9D]\PdL>  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd qaN%&K9F8  
    } l4d/I  
    光束质量优化 4.0JgX  
    >aV Q  
    }!0nb)kL  
     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。 Bi|XdS$G  
     之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。
    F3V_rE<  
    .j_YVYu1&  
    结果：光束质量优化 U,)@+?U+h  
    < &~KYu\r  
    [MVG\6Up(  
     由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 I%fz^:[#<  
    ;~5w`F)  
    STH?X] /  
    7L\kna<  
     然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） @x z?^20N  
    {=GWQn6cc  
    W2\ Q-4D  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd qC?\i['`  
    ]$gBX=  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 `:fc*n,*  
    _laLTP*  
     对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 . |g67PH=  
    +8etCx  
    I%<,JRAV  
     这意味着参数变化是的正态 EO[UezuU  
    p|b&hgA  
    M&5;Qeoiv  
    7JI&tlR4\c  
    E6NrBPm  
     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。 7f9i5E1  
    这意味着，波前对对齐误差很敏感。 "L p"o  
    (Mw<E<f  
    0^PI&7A?y  
    H _%yh,L  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run M~1 n#  
    }4n?k'_s?  
    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） ADa'(#+6  
    O]Mz1 ev|  
    CdN,R"V0$@  
    v9[[T6t/'  
    由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 bl)iji`]  
    !MiH^wP  
    总结 K&WNtk3hT  
    J0hY~B~X  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 H8}}R~ZO  
    1.模拟 ,^_aqH  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ) !!xvyc  
    2.研究 z!={d1u#T  
    为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 *qLOr6  
    3.优化 %7$oig\wE  
    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。 Gu3'<hTlxd  
    4.分析 Tmo+I4qoL  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 mne=9/sE"  
    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。 2_4m}T3   
    cQaEh1n  
    参考文献 DfCo=  
    [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). sH>Z{xjr  
    H...!c1M@  
    进一步阅读 +=y ktf  
    T&2aNkuG  
    进一步阅读 Wkk=x&  
     获得入门视频 U 6y ;V  
    - 介绍光路图 B(GcPDj(K  
    - 介绍参数运行 hupYiI~  
     关于案例的文档 #]yb;L  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens a?IL6$z  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens  psg}sl/  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing @'Er&[P  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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