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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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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) d>r]xXB6  
    Bi"cWO  
    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 )oM% N  
    km`";gUp>  
    TQ[J,  
    ]XL=S|tIq  
    简述案例
    F< dhG>E9  
    uBC#4cX`D*  
    系统详情 tn(6T^u  
    光源 !.4q{YWcYk  
    - 强象散VIS激光二极管 E(f|LG[I  
     元件 9J<vkxG9`  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) V{\1qg{  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 c`\qupnY  
     探测器 m Q<Vwx0  
    - 光线可视化(3D显示) Z]5xy_La  
    - 波前差探测 %;Z_`W  
    - 场分布和相位计算 &b-&0 rTqz  
    - 光束参数(M2值,发散角) tZ*>S]qD  
     模拟/设计 (#qQ;ch  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 vo~Qo;m  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): $`lGPi(Jc  
     分析和优化整形光束质量 wARd^Iw  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 @B?'Mu*  
    %.fwNS  
    系统说明 TIF  =fQ  
    8hSw4S "$  
    y"K[#&,0  
    模拟和设计结果 hxw6^EA  
    J$`5KbT3  
    o+- 0`!yj  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 8\PI1U  
    tCu.Fc@  
    bcAk$tA2  
    -f?,%6(1  
    ItZ*$I1<  
    总结 9w1`_r[J  
    U_UN& /f  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 qmNG|U&  
    1.模拟 R#rfnP >  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 %"|W qxv  
    2.评估 Tv|i CYB?  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 e YiqTWn:  
    3.优化 LF+E5{=:R  
    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。 (SA^> r  
    4.分析 c;n\HYk  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 H}8kku>7  
    %P C[-(Q  
    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。 Pv*]AF;9pQ  
    /7ykmW  
    详述案例 fOP3`G^\  
    y3P4]sq  
    系统参数 B f.- 5  
    8RS@YO  
    案例的内容和目标 VLfKN)g  
    _Y)Wi[  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 bH%d*  
    E0u&hBd3_  
    I(z16wQ  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 [88PCA:  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 *{O[}  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 s+h}O}RV  
    Bt(nm> Ng  
    模拟任务:反射光束整形设置  e `K{  
    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。 x( (Rm_'  
    *0_Q0SeE,o  
    O]oH}#5b  
    4MCj*ok<  
    y<l(F?_  
    ]UGk"s5A  
    规格:像散激光光束 N).'>  
    oA;ZDO06r  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 K.b :ae^k  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 E=]|v+#~  
    %{? 9#))  
    E9' 2_e  
    bzECNi5^  
    ~9@83Cs2  
    l]~IZTC  
    规格:柱形抛物面反射镜
    Ue!yK  
                             3KtJT&RuL  
     有抛物面曲率的圆柱镜 -Q|]C{r  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 s? 2ikJq  
     曲率半径等于焦距的两倍 bas1(/|S  
    9|m:2["|?  
    ryb81.|  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) |<MSV KW  
    7j88^59  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 {+EnJ"  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) FbXur-et^  
     离轴角决定了截切区域 s(r4m/  
    {HFx+<JG  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) 'LR|DS[Ne  
    ,vAcri 97  
       U.Y7]#P:  
    `^|l+TJG  
    光束整形装置的光路图 1*.*\4xo  
    PZI6{KOis  
    RrdLh z2N  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 5kojh _\  
     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。 +zEyCx=8H  
    )jh~jU?c@  
    反射光束整形系统的3D视图 3PlIn0+LX  
    lNTbd"}$:  
    *;U<b  
    -lR7 @S  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 rbl^ aik  
     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)。 d\25  
    o'8nQ Tao  
    详述案例 7xfS%'=y"  
    /QQjb4S}  
    模拟和结果 s'bTP(wl9  
    ncTMcu  
    结果:3D系统光线扫描分析 Y~?Z'uR  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 $EzWUt  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 PKQ.gPu6*@  
    A2 $05a$%  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !OMCsUZ  
    hE<Sm*HU  
    使用参数耦合来设置系统 u'T-}95 V  
    }$ Kd-cj+  
    E'NS$,h  
    自由参数: \[]?9Z=n  
     反射镜1后y方向的光束半径 c e; zn\  
     反射镜2后的光束半径 0& ?L%Y  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) #T@k(Bz{L  
     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。 Ul}<@d9: B  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 NK'@.=$  
    ZT8LMPC  
    ;lfv.-u:<  
    y|zIu I-p  
    KP7 {  
    d8U<V<H<  
    ]&dPY[~,/i  
    自由参数: 6Nt/>[  
     反射镜1后y方向的光束半径 y~su1wUp  
     反射镜2后的光束半径 9A/bA|$  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) "h|kf% W  
     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。 ?[P>2oz  
    9,JWi{lIv  
    9hh~u -8L  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 j(k}NWPH  
    ) .KMZ]  
    ,eWLig  
    结果:使用GFT+进行光束整形 DIJmISk  
    @th94tk,  
    ! h92dH  
    upX@8WxR  
    _pDfPLlY&  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 U<E]c 4*  
    B|,d  
    Pn6~66a6  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 OiS\tK?|GV  
    xGOVMo +  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 p1K]m>Y{?  
    <XtE|LG  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: Xo&\~b#-  
    /7fd"U$Lh  
    f re5{=@  
    F ^aD#  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 7(a1@VH  
    "z;R"sv\  
    结果:评估光束参数 9NNXj^7  
    ]>Gi_20*.  
    I)s_f5'  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 TdT`V f  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 l2}X\N&q  
    )!caOGvhJ  
    {cb<9Fii  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 Jb^{o+s53  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) ^!0z+M:>^  
    M ?AX:0  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd /oLY\>pD  
    4>a(!h t  
    光束质量优化 }`%ks  
    C'R6mz%Q?  
    1uCF9P ai  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 YbnXAi\y|  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    ts}OE  
    qvK/}  
    结果:光束质量优化 Q\T?t  
    ~P"Agpx3u  
    {$i>\)  
     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。 5Pxx)F9]  
    {K6Z.-.`  
    wf &Jd:)4t  
    41s\^'^&  
     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。) 9 wbQ$>G9  
    ZS;V?]\(  
    V*5v JF0j  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 2|d^#8)ZC  
    <lWj-+m  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 kS=nH9  
    q\|RI;W  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 X1o^MMpz(F  
    |WEl5bNc3  
    !H[01  
     这意味着参数变化是的正态 'GX x|.  
    ~zG)<S"q  
    XWQ `]m)  
    R=&-nC5e  
    !{+.)%d'g  
     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。 gx',K1T  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 32?'jRN(ue  
    $eG_LY 1v  
    H{,1-&>|  
    &qWB\m  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run D,[Nn_N  
    II|;_j  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) @ =~k[o  
    N N1}P'6Ha  
    Ui"{0%  
    N6\rjYx+7  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 oz)4YBf  
    1"75+Q>D  
    总结 e&U$;sS`  
    Wf"GA i  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _$5DK%M}  
    1.模拟 cz /cY:o)  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 !<HMMf,-D  
    2.研究 qe&B$3D|  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 ,Xfu?Yan  
    3.优化 (a8iCci:   
    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。 r|DIf28MIq  
    4.分析 CfP-oFHoQ  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 !ehjLFS?_  
    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。 eOF *|9  
    .5o~^  
    参考文献 f\_PNZCc  
    [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). EPH" 5$8  
    l9="ccM  
    进一步阅读 KsE$^`  
    v;9(FLtL  
    进一步阅读 ;-@: }/  
     获得入门视频 o:W*#dt  
    - 介绍光路图 L6Brs"9B  
    - 介绍参数运行 WysWg7,r  
     关于案例的文档 D"$Y, d  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens :{iH(ae;  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens +~aIT=i3  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing AG9DJ{T  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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