[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） rOd<nP^`\  
7(cRm$)L  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 94 58.!3  
BM5+;h !  
|O3wAxc3W  
I3`WY-uv  
简述案例 3)\jUVuj  
wSoIU,I  
系统详情  h>\T1PM  
 光源 6'CZfs\  
- 强象散VIS激光二极管 h[~JCYA  
 元件 xUl=N   
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Sy|fX_i  
- 具有高斯振幅调制的光阑 87WIDr  
 探测器 #MkXio; h  
- 光线可视化（3D显示） A|>~/OW=@  
- 波前差探测 l~P%mVC3m  
- 场分布和相位计算 B].
V|8h  
- 光束参数（M2值，发散角） Q@]~O-  
 模拟/设计 nvY3$ Ty  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 T DOOq;+  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： kT6h}d^/^  
 分析和优化整形光束质量 o 4G%m>$  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 #1fT\aP  
q"){PRTm/  
系统说明 dr3j<D-Q  
ILi{5L  
>h:rYEsh8V  
模拟和设计结果 y4sKe:@2  
|@'/F#T  
数值探测器结果 yOR]r+8  
sa8JN.B  
$ 9bIUJ  
"#zSk=52z
 
ToMvP B);  
总结 sG-$d\ 1d  
<Y%km[Mh  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9N1Uv,OtB  
1.模拟 h-r\1{Q1]  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 r'bctFsD  
2.评估 0 D^d-R,  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 9*s''=  
3.优化 *}fs@"S   
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 B=dF\.&Z  
4.分析
TA;r  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 j v9DQr  
Pwc)u&  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 9$ GAs  
|,YyuCQcL[  
详述案例 kyV!ATL1F  
?\Fo|__  
系统参数 n
^}M*#  
117`=9F  
案例的内容和目标 _(A9k{  
tE|W8=be/  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 :+?eF^5  
>~%!#,C(|U  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 iakqCjV  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 2=R}u-@6p  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ,orq&#*Wd  
{B;<R1  
模拟任务：反射光束整形设置 5&Y%N(  
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。 h>0R!Rl8  
Y9}5&#  
Evjvaa^  
Tt^PiaS!  
IZ9L ;"}  
Q4~/Tl;  
规格：像散激光光束 o`tOnwt
  
:eHD{=  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 i^<P@ |q  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 4?eO1=a  
0cGO*G2Xr  
tccw0  
<[*%d~92z  
LgG7|\(-  
F+!w[}0  
规格：柱形抛物面反射镜 dWR-}
>  
                         `Zdeq.R]  
 有抛物面曲率的圆柱镜 adCT
o  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 *8I+D>x  
 曲率半径等于焦距的两倍 b\Wlpb=QZ  
)Z/L  

[quT&E  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） S*aMUV&  
vk:k~  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 OV~]-5gau  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） h4iz(*  
 离轴角决定了截切区域 rofGD9f   
A'zXbp:
%  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 2`Dqu"TWh  
K3Sa6"U  
   m2{DLw".  
"d5nVO/  
光束整形装置的光路图 p1BMQ?=($  
]J '#KT{  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 R>C^duos.  
 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。 o[A y2"e?  
z~m{'O`  
反射光束整形系统的3D视图 $`a>y jma  
eb#yCDIC  
8*bEsc|  
c>$PL
O^  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 mJ #|~I*Z-  
 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）。 `)aIFAW  
xj!G9x<!  
详述案例 uY_vX\;67z  
M+|J;c
aX  
模拟和结果 Nn/f*GDvK  
yIq. m=  
结果：3D系统光线扫描分析 .#OD=wkN0  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 m)1+D"z  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 j@o \d%.'!  
@CB&*VoB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd i"_@iN0N  
G~+BO'U9'G  
使用参数耦合来设置系统 A &tMj?  
*.,G;EC^  
0K<|>I  
自由参数： 2zPO3xL,  
 反射镜1后y方向的光束半径 [6u8EP0xM  
 反射镜2后的光束半径 >^Z==1  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） j3Yz=bsQ{c  
 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。 w=Yc(Y:h  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 qib4DT$v-6  
d
I%#cf1  
w9aLTLv-  
|y%M";MI  
#,5v#|u|7  
RG8Ek"D@  
sy(8-zbI  
自由参数： DGJt$o=&@  
 反射镜1后y方向的光束半径 hMNC]  
 反射镜2后的光束半径 %+bw2;a6  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） pIhy3@bY  
 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。 S)\Yc=~h  
w|G4c^KH  
ls,;ozU  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 z#u<]] 5  
3*C|"|lJ  
[B1h0IR  
结果：使用GFT+进行光束整形 Q~-MB]'  

^V?W'~  
rYfN  
$v\o14v  
8`Iz%rw&(J  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 sMDHg
 
*1b1phh0/  
iebnQf  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
]b&O#D9  
o/\f+iz7  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 mGC!7^_D`  
1$RUhxT  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： =8W'4MC  
W&s@2y?rF  
pRc<U^Z.h  
zy\R>4i'#Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,b'QL6>`  
 )k6O  
结果：评估光束参数 =;m
;r!,K  
)Rj,PF-9Z[  
l|"SM6
  
 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。 48g`i  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 4iC=+YUn  
TO]7%aB  
eZvG  
 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。 {Q/_I@m].  
 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） E,gpi  
@q++eGm\Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd q'CtfmI`r=  
'FC#O%l  
光束质量优化 ykBq
?Vr  
lr~c w#h*  
W_FN*Er  
 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。 D"ecwx{%;C  
 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）。 )Q)H!yin  
f~
Ve7   
结果：光束质量优化 "LkI'>3}  
ZB'ms[  
D&/~lhyNZ  
 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。 <wj}y0(  
wdLlQD  
~Bls
j9a2  
$e/[!3CASP  
 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。） K['Gp>l  
#4wia%}u  
,4Qct=%L_  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd V:>ZSW4,^  
K
;P<c,9X/  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 O]-s(8Oo3  
WX}pBmU  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 DUlvlQW  
;Vlt4,s)  
y#?AW`|  
 这意味着参数变化是的正态 $I4:g.gKpG  
vfpK|=[7o  

Ns5
'K^  
\\v1\  

i_ z4;%#?  
 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。 Q'R*a(pm  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ZK$<"z6{  
QvvH/u  
p{W'[A{J .  
C~q&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run gkMyo`  
:7DXLI|L#?  
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） `71(wf1q[f  
Q%.F Mf  
NsUP0B}.  

u[+/WFH  
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。 :7 OhplI  
Eq/oq\(/6  
总结 hVf;{p &  
D{G~7P\.  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @; 0t+  
1.模拟 YAJr@v+Ls  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 o8!uvl}:9  
2.研究 7>!Rg~M  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 -E,p[Sp  
3.优化 \>lDM  
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。 g#s hd~e  
4.分析 r"_SL!,^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Z?j4WJy-[  
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。 v|@1W Uc,g  
Kp?j\67S  
参考文献 5sI9GC  
[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). rJUXIV>z  
{/}p"(
^  
进一步阅读 m'YYkq(5%Z  
oa2v/P1`  
进一步阅读 hjx=?  
 获得入门视频 ' i<}/l  
- 介绍光路图 p$_X\,F  
- 介绍参数运行 KGNBzy~9  
 关于案例的文档 rUWC=?Q  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens a`_w9r+v  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ObEp0-^?  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing P-)`FB  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair