[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） "2sk1  
aVc{ aP  
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 2@GizT*mA  
N1Ag.  
bP#!U'b"=  
wB \`3u4  
简述案例 (uDd_@a9t  
q^EY?;Y  
系统详情 !%('8-x%  
 光源 E BBd  
- 强象散VIS激光二极管 23>[-XZb[O  
 元件 Tsa]SN14  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） tB,(12@W  
- 具有高斯振幅调制的光阑 y*vSt
^  
 探测器 NzP71t+  
- 光线可视化（3D显示） T+$H[&j  
- 波前差探测 >5L_t   
- 场分布和相位计算 LjG^c>[:m  
- 光束参数（M2值，发散角） N~mr@rXC  
 模拟/设计 G`>]ng  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Q^rR}Ws  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Y`bTf@EP>  
 分析和优化整形光束质量 rHX^bcYK  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 %|D)%|Z  
p T8?z  
系统说明 u%)gnj_  
ty0P9.Q  
IyyBW2  
模拟和设计结果 yivu|q  
L8PX SJ  
数值探测器结果 V1V0T ,  
NSB6 2  
y-1e(:GF  
l_+@Xpl  
>dt*^}*  
总结 M[YFyM(
 
\{lv~I  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 J}X{8Ds9  
1.模拟 HN{c)DIm]  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 _f^KP@^j  
2.评估 0Lxz?R x]<  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 EaO@I.[  
3.优化 X&qx4DL  
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。 1I9v`eT4  
4.分析 ]zSFX =~(S  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 s.}K?)mH  
U+)p'%f;  
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 6`!  
*n? 1C"l  
详述案例 \@:,A]  
cj8cV|8@  
系统参数 1jl!VU6  
p%"dYH%]&0  
案例的内容和目标 fo@^=-4A-  
S1
3cQ?4  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 oY18a*_>M1  
WVy'f|3;  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 EMW6'  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 2ndn8_l  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 d]l8ei@>h  
ZYwcB]xEz  
模拟任务：反射光束整形设置 lS.Adl^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。 F3qK6Ah.  
)?*YrWO{  
0Z9DewwP  
RwWg:4  
8-#%l~dr  
d,"LZ>hNY*  
规格：像散激光光束 Q6@<7E]y  
HgF;[rq3Q  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 K T}  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 JQ&t"`\k  
+T+@g8S  
|@Tga_0p  
$"^K~5Q  
_>;Wz7  
{3tzr;c?  
规格：柱形抛物面反射镜 Z'JS@dV  
                         @p+;iS1}  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ~7
P)$[  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?['!0PF  
 曲率半径等于焦距的两倍 K9lgDk"i  
4>hHUz[_  
i--t ?@#  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） cj/`m$  
\c=I!<9
 
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Lx^ eaP5  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ?{{w[U6NE  
 离轴角决定了截切区域 :]^e-p!z  
!_<6
}:ZB  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 0s#72}n  
%@/^UE:  
   m~ tvuz I  
sHP-@  
光束整形装置的光路图 ]A#lV$  
Sqo+cZ  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 WSkGVQu  
 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。 _u`YjzK  
j2Zp#E!  
反射光束整形系统的3D视图 H",B[ YK  
n_8[bkbi  
/0h *(nL  
kNEEu!G  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 *Gbhk8}V'  
 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）。 -Mt
5< s  
RgE`Hr  
详述案例 24mdhT|  
]n22+]D  
模拟和结果
^u
/%z
L  

|y\Km  
结果：3D系统光线扫描分析 mo0\t#jA  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 %\As  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 pm&THd  
lo1Ui`V  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd sGvbL-S-f:  
pJpapA2l*6  
使用参数耦合来设置系统 Zo9<96I&  
!liV Y]  
[uq>b|`RG  
自由参数：  R$a<=  
 反射镜1后y方向的光束半径 WL$^B@gXQ  
 反射镜2后的光束半径 XC4Z,,ah"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） K~x,so  
 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。 8!g `bC#%  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ^S9y7b^;r  
VSj!Gm0LB  
B~Q-V&@o  
5sD,gZ7  
"(koR Q  
Y4T")  
,w }Po  
自由参数： g|=_@ pL  
 反射镜1后y方向的光束半径 _B4&Fb.  
 反射镜2后的光束半径 T:|/ux3  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） .b:!qUE^  
 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。 7\u+%i;YZ  
SGd]o"VF  
d1/emwH  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 '[F:uA  
.u`[|:K  
\/-c)  
结果：使用GFT+进行光束整形 ?I.9?cQXZ  
fGgt[f[  
r;cDYg  
0MQ= Rt  
(iIw}f)w  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -!\3;/  
.{Y;6]9[  
GnV0~?  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 `h}eP[jA  
?@V R%z  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 $o6/dEKQ  
Iw1Y?Qia  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： @WJ;T= L  
I8F+Z  
NGra/s,9|  
A
'qe2]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd yr]ja-Y  
;#B(L=/  
结果：评估光束参数 +
,Dc0VC?  
<sdgL+&1h  
_iwG'a[`  
 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。 ;%|im?  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 wAMg"ImJ  
B`tq*T%  

MsB>3  
 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。 Jx*cq;`Vee  
 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~h>b.~  
! VwU=5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Z['.RF'`  
#mH@ /6,#[  
光束质量优化 h\RX/C!+  
5
s7BUT  
2 a<\4w'  
 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。 ?7{U=1gb$  
 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）。 '1<Z"InU
 
Tw~R-SiS`s  
结果：光束质量优化 8K8u|]i  
;w{<1NH2+.  

I?KN7(9u?  
 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。 %lKw+D  
GR,2^]<{  
-15e  
\u=d`}E  
 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。） J?4{#p  
,5'o>Y  
Y#U.9>h  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Q G)s  
N
#w5}It  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 "tCI_ Zi;  
tZxx#v`  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 5C w( 4.  
{9IRW\kn  
kuY^o,u-1e  
 这意味着参数变化是的正态 whI{?NP  
~Ps*i]n(  
0AZ9I!&i  
m l`xLZN>L  
^0,}y]5p  
 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。 _K5<)( )  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 xL* psj  
,%i Scr,z  
.[={Yx0!I  
DR"Y(-xl  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run u
J`N'`Z  
cS&KD@.  
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） a=S &r1s>  
AXw qN:P}  
z$^d_)  
AvL /gt:  
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。 Za.}bR6?Y  
cIug~ x>  
总结 5-dt0I@<  
(6%T~|a  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~tUZQ5"  
1.模拟 ^}j~:EZb  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 |N,^*xP(6  
2.研究 UrniJB]  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 bGh&@&dHr  
3.优化 g pciv  
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。 2BY|Cp4R  
4.分析 Qu
th5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 =lNW1J\SW  
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。 UMcM&yu-  
a%q,P @8  
参考文献 3G// _f  
[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). _JH.&8  
&{)<Q(g  
进一步阅读 !D22HSv(w  
6v@Prw@.b  
进一步阅读 &-/J~b)"  
 获得入门视频 /P
jd"  
- 介绍光路图 [bL
KjD  
- 介绍参数运行 ~B<\#oO  
 关于案例的文档 v}>g* @  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens DksYKv  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens g5BL"Dn  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing [[T7s(3  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair