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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) g#T8WX{(V  
    +.NopI3:  
    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 w SBDJvI  
    kuqf(  
    Mq8jPjL  
    Z@=#ry  
    简述案例
    ^LX1&yT@  
    a>G|t5w  
    系统详情 N)WAzH  
    光源 FhHcS>]:.  
    - 强象散VIS激光二极管 hj4Kv  
     元件 /T!S)FD\/v  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) #B_ ``XV  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 -P^ 6b(  
     探测器 +K])&}Dw  
    - 光线可视化(3D显示) S zsq|T  
    - 波前差探测 8S"vRR  
    - 场分布和相位计算 ng;,;o.  
    - 光束参数(M2值,发散角) E?m(&O j  
     模拟/设计 wWQv]c%  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 HE,# pj(D  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): ,nD:W  
     分析和优化整形光束质量 rp (nGiI  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 |x3.r t  
    MD%_Z/NL  
    系统说明 p'fU}B1  
    1D sgU6"  
    G>qzAgA  
    模拟和设计结果 _pnJ/YE  
    $*tq$DZ4&  
    ^w/_hY!4/  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 l\vtz5L  
    M}kt q)  
    ggR@& \  
    gBA UrY%]  
    ,|,DXw  
    总结 nlQ<Aa-%  
    t9685s  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Pwn"!pk  
    1.模拟 %6}S1fuA  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -K9bC3H  
    2.评估 nw){}g  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 AL74q[>  
    3.优化 z|; 7;TwA  
    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。 `j{q$Y=AG  
    4.分析 Av:5v3%  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 fgVeB;k|  
    ;cgc\xm>  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 (vMC.y5  
    @-|{qP=Dy  
    详述案例 {p&L wTnf  
    B#9rqC  
    系统参数 2 UU5\ jV6  
    5-3`@ (/  
    案例的内容和目标 x2(!r3a  
    1bs 8fUPB3  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ~$-Nl  
    20h|e+3  
    _-$O6eZ  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ]V \qX+K  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 u4*7 n-(  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 %T4htZa  
    ?9 hw]Q6r}  
    模拟任务:反射光束整形设置 JDrh-6Zgj  
    引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 qfE>N?/  
    }JyWy_Y  
    28J ; 9  
    <8nl}^d5  
    STmn%&  
    iTJSW  
    规格:像散激光光束 '~Uo+<v$w  
    a=}JW]  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 ICwhqH&  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 `oQ)qa_  
    q|,cMPS3  
    gU1E6V-Jm  
    \lwYDPY:  
    <+ 0cQq=2  
    R?@F%J;tx  
    规格:柱形抛物面反射镜
    ov>Rvy  
                             EooQLZ  
     有抛物面曲率的圆柱镜 k9H7(nS{  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Z |wM  
     曲率半径等于焦距的两倍 \-3\lZ3qj  
    | d}f\a`  
    LnZzY0  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) }`M53>C,gQ  
    ip6$Z3[)  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 `|@#~  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) o;bK 7D  
     离轴角决定了截切区域 n46A  
    )QS4Z{)U  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) m:|jv|f  
    rF C6"_  
       f@U\2r  
    Z@ AHe`A  
    光束整形装置的光路图 "J:~Aa%_  
    q2v:lSFY  
    \z"0lAv"  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 :.KN;+tP  
     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。 q0|u vt"  
    pm$ZKM  
    反射光束整形系统的3D视图 W'2T7ha Es  
    9+<%74|,  
    i oCoFj  
    V mxVE=l  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 HsrIw  
     绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 V/w:^@5+p  
    E#3KWp#M  
    详述案例 0].x8{~o  
    p0Cp\.  
    模拟和结果 l(X8 cHAi  
    &6!~Q,;K-  
    结果:3D系统光线扫描分析 ;M,u,KH)/  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 !9GJ9ZEXM  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 o!.\+[  
    {z)&=v@  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;{1J{-EA  
    l|#WQXs*c{  
    使用参数耦合来设置系统 4.]xK2sW  
    (eX9O4  
    v @zpF)|  
    自由参数: \~V Z Y  
     反射镜1后y方向的光束半径 d&S4`\g?8  
     反射镜2后的光束半径 @oC# k<  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Z9cg,#(D  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。  ut6M$d4  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 D(3\m)  
    yn&AMq ]o  
    X r7pFw  
    zJ;K4)"j  
    v(ABZNIn  
    R#j -Z#/"  
    gucd]VH  
    自由参数: _?UW,5=O  
     反射镜1后y方向的光束半径  _@es9  
     反射镜2后的光束半径 'qD5  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) w k1O*_76  
     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。 Wtl0qug  
    gH87e  
    X4<!E#  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 =)Z!qjf1U  
    O6rrv,+_L  
    |Ad1/>8i  
    结果:使用GFT+进行光束整形 /4 zO  
    B35zmFX|}N  
    "=~P&Mi_  
    .ZSGnbJ  
    .<`W2*1  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -$pS {q;  
    &cj/8A5-  
    oicett=5  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 {0(:7IY,  
    a }6Fj&hj  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 L||_Jsu  
    u3{gX{so  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 1_JxDT,=>  
    \Ol3kx|  
    X]'Hz@$N  
    wk { 9  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd M1._{Jw5  
    _!FM^N}|  
    结果:评估光束参数 w)bLdQ  
    K`.wj8zGY  
    p%304oP6  
     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。 wn*z*  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 N*t91 X  
    U^_'e_)  
    75Xi%mlE7  
     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。 oo\0X  
     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) KMz\h2X  
    b`Wn98s  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Qy ; M:q  
    iQ= %iou  
    光束质量优化 $cO"1mu  
    i<D}"h|  
    QZufQRfr{  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 G~ZDXQ>5CP  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    ]2n&DJu  
    W(*:8}m,p  
    结果:光束质量优化 Vv(!Ki}  
    o/I<)sa  
    b6D}GuW  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 =J.)xDx*  
    OwIW;8Z  
    2,Y8ML<  
    =YX/]g|9K  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) W5-p0,?[6  
    3j.Ft*SV  
    ~CRr)(M  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd bAeN>~WvY  
    8F0+\40  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 qF6YH  
    :W5*fE(i  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 ] *{QVn(  
    <!:,(V>F(C  
    +MC>?rr_u  
     这意味着参数变化是的正态 ).eT~e Gj  
    |u)?h] >  
    W|=?-  
    HzB&+c? Z  
    /:>f$k4~h  
     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。 rtDm<aUh  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 @f0~a  
    z Q NL){  
    )rD] y2^<  
    / /qTMxn  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Oa~t&s  
    P ]2M  
    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) ~az 6n)  
    AO;`k]0e  
    ?/"@WP9  
    9;Ezm<VQ  
    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。 3y>.1  
    f(DGC2R <  
    总结 +3vK=d_Va  
    Ig1cf9 :  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yY*OAC  
    1.模拟 HKP\`KBC j  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Js qze'BGY  
    2.研究 /-4i"|  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 @{.rDz  
    3.优化 6KhHS@Z  
    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。 ,KkENp_  
    4.分析 >8SX,  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 5 d|*E_yu  
    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。 {a_= 4a  
    HhNH"b&  
    参考文献 qsFA~{o.  
    [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). {i^ ?XdM  
    ^`YSl*:  
    进一步阅读 Q" VFcp:  
    xN2M| E]  
    进一步阅读 Opmb   
     获得入门视频 F$ Us! NN  
    - 介绍光路图 c@ En4[a'  
    - 介绍参数运行 Gyy:.]>&  
     关于案例的文档 X =S;8=N  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Rjo6Pd{d<  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 9R>A,x(  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing o&*1Mx<+  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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