[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 1^4z/<ZWm  
6(uK5eD(!n  
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 (d2|r)O  
Q(\U'|%J  
Rg!Fu  
6*n<emP  
简述案例 }+fMYgw  
8~>5k  
系统详情 l].Gz`L
 
 光源 L| uoFG{  
- 强象散VIS激光二极管 xF4>D!T%8  
 元件 udV.$N  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 5}uH;E)4  
- 具有高斯振幅调制的光阑 wtY*{m2  
 探测器 8- U1Y  
- 光线可视化（3D显示） }bxW@(bs  
- 波前差探测 C\B&'+uR  
- 场分布和相位计算 }I1SC7gY  
- 光束参数（M2值，发散角） Gz9w1[t  
 模拟/设计 ^6E+l#  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 y(!YN7_A  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： |%@.@c  
 分析和优化整形光束质量  '9H
ah  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Gw/imXL  
"#a_--"k9  
系统说明 5D32d1A  
Rt[zZv  
eXqS9`zKr  
模拟和设计结果 cCoa3U/  
$]Vvu{  
数值探测器结果 v&NC` dVR  
]}~[2k.  
&GC`4!H  
g0P^O@8  
&F*L=Ng  
总结 Sj$XRkbj:  
8d90B9  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 FM)Es&p&  
1.模拟 wap@q6fz<  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 /"Bm1  
2.评估 B|~tW21  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 S-^R
Z"  
3.优化 yH'vhtop  
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。 )Bl0 W  
4.分析 GtCbzNY  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 YR2Q6}xR  
[q/tKdo@  
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。 0<8pG:BQ  
thYG1Cs  
详述案例 ndIf1}   
nty^De%  
系统参数 H WOl79-  
D]
H@Sx  
案例的内容和目标 D{]t50a.  
JP2zom  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 CMm:Vea  
q"|,HpQ  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 PhHBmMGL  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ~VRt6C  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 n(|~z  
CLb~6LD  
模拟任务：反射光束整形设置 C6=P(%y  
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。 y|BRAk&n  
Rn(vG-xQ  
A/XY'3  
5Iv3B|u  
y5d=r]_S:  
tFY;q#
#z  
规格：像散激光光束 D;pfogK @  
^^u{W|'CaH  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 s~@4  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 :N\j@yJK  
woctnT%"Q/  
a@E+/9  
2VrO8q(  
?R 4sH  
vtvF)jlX  
规格：柱形抛物面反射镜 _I$\O5  
                         h|=<I)}z  
 有抛物面曲率的圆柱镜 1@&i ju5  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 @a08*"lbp  
 曲率半径等于焦距的两倍 PdUlwT?8C  
EJM6TI"  
5
B&#Sh`r  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Zc_%hQf2A  
5'JONw'\  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 )ZU)$dJ>V  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） v99gI%TA'  
 离轴角决定了截切区域 aZ[ aZU  
LciSQ R!  
规格：参数概述（12° x 46°光束） uSeRn@  
SLzxFuV  
   ?#OGH`ZvkI  
6qW/Td|g  
光束整形装置的光路图 ?;s}GpEY:  
K%Dksx7ow  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 N7S?m@  
 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。 X@;o<2^  
,G";ny[$  
反射光束整形系统的3D视图 cs'ylGH  
' }G!D  
8VbHZ9Q  
:xn/9y+s  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 <r6e23  
 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）。 dKs^Dq  
<M(Jqb cWa  
详述案例 ^Z?X\t  
qH3<,s*  
模拟和结果 @8IYJ{=  
q|*}>=NX  
结果：3D系统光线扫描分析 8Iz-YG~%3  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 t<_Jx<{2  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 .~)[>  
K"p$ga{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd f.V
1  
>(v%"04|e  
使用参数耦合来设置系统 ']nB_x7  
~VNN  
5|&:l8=  
自由参数： \,:3bY_d  
 反射镜1后y方向的光束半径
l[KFK%?  
 反射镜2后的光束半径 4>q^W$  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） L@ ,-V  
 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。 <SiD m-=E  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 U}H2!et&,)  
[iJU{W  
p&B c<+3e  
@]*b$6tt  
d2b L_  
z93HTy9  
jy=dB-&  
自由参数： Sq9I]A  
 反射镜1后y方向的光束半径 ' 0iXx   
 反射镜2后的光束半径 Y2&>;ym!  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） F
-!,U)  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 v3b[08 F  
E0K'|*  
zdDn. vG  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 adHZX  
{`Ekv/XWa  
QPe+K61U  
结果：使用GFT+进行光束整形 >Ab>"!/'K  
Ri$wt.b  
UjmBLXz@T  
J(BtGGU'  
UlBg6  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 T*,kBJ  
V^O dTM  
/O"IA4O  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 kcy?;b;z  
n^8LF9r  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 .&:GOD  
zCrDbGvqF`  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： gu+c7qe  
OiB*,TWV  
gTz66a@i  
R[eQ}7;+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \3P.GS{l  
Vp =  
结果：评估光束参数 zWiMl.[  
P;%4Imq3  
?Ji.bnfK  
 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。 tw.2h'D  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 D]+0X8@kH7  
%B^nQbNDM  
!^Mk5E(  
 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。 9>qc1z  
 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） ;Qpp`  
{^TVZdw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd EjsAV F [@  
5pNbO[  
光束质量优化 4:$?u}9[:[  
N2yxli  
b .9]b  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 v:s.V>{"S  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 (k?,+jnR  
/1X0h  
结果：光束质量优化 ;IhkGPpWP  
qzv$E
;zAl  
wH&Rjn  
 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。 hJ8|KPgdw  
76[
O3%  
r!eCfV7  
8fpaY{]  
 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。） lf3:Z5*&>  
&gc8"B@V  
ajy.K'B*  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd uMm/$#E  
'>:mEXK}w  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 }{*((@GY
}  
1gp3A
 
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 7p""5hw  
EK:!.Fl  
7&G[mOx0  
 这意味着参数变化是的正态 4]$cf:  
7+aTrE{  
YH`/;H=$G/  
azMrY<  
RYMOLX84  
 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。 x1)G!i  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ZOl =zn  
q_Td!?2?  
=~YmM<
L  
E?|"?R,,,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ehO@3%z30c  
;u LD_1%  
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） LPbZ.  
_%Ay\4H^\  
pfW0)V1t  
_5Q?]-M  
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。 @YyTXg{ZK  
2Mx9Kd'a r  
总结 c }>:>^  
8:,E=swe  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .fxI)  
1.模拟 <:yB4t3H+q  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Xui${UYN  
2.研究 _+K[1P  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 89KX.d  
3.优化 uAT01ZEm  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 )AOD~T4s7  
4.分析 fclmxTy  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 FKflN  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 '>[KVvm  
42LlR 0  
参考文献 "HFS5Bj'  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). +F ~;Q$T  
XJnDx 09h  
进一步阅读 K^AX=B  
wL,b.]  
进一步阅读
MGIpo[  
 获得入门视频 2X2,(D!  
- 介绍光路图 y'4H8M2?  
- 介绍参数运行 N m-{$U  
 关于案例的文档 yv4ki5u`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ABEC{3fWpu  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens U:>'^tkp  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ^z3-$98=A  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair