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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: 11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) gG]Eeu+z   
    E8pB;\Z(  
    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 <L"GqNuRQ  
    6HZ`.o:f  
    ;*Ivn@L  
    spdvZU=}  
    简述案例
    55tKTpV  
    .ni_p 6!  
    系统详情 {>R:vH 8  
    光源 q?4p)@#   
    - 强象散VIS激光二极管 +?:7O=Y  
     元件 nSW=LjrO~<  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) <g1hxfKx5  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 %+j8["VEC  
     探测器 ,eTUhK  
    - 光线可视化(3D显示) vd [}Gd  
    - 波前差探测 X;i~ <Tq  
    - 场分布和相位计算 _JHd9)[  
    - 光束参数(M2值,发散角) JBXrFC;  
     模拟/设计 pm_`>3  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 Oy%''+g   
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): znxnL,-  
     分析和优化整形光束质量 Y"~gw~7OD  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 Fh`~`eog  
    $oj:e?8N  
    系统说明 VHCK2}ps  
    ;D:9+E<>a  
    2 lj'"nm  
    模拟和设计结果 y9x w 9l'  
    WU quN  
    Y~L2  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 (Tn- >).AO  
    E%r k[wI  
    JT3-AAi[Z  
    In18_ bc  
    !a7[ 8&  
    总结 U*22h` S  
    N+Y]st+  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 &3bx `C  
    1.模拟 k< y>)  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 iV&6nh(  
    2.评估 q35f&O;  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 a0D%k:k5  
    3.优化 | #47O  
    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。 nm6h%}xND<  
    4.分析 d-k%{eBV  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 555XCWyrC  
    ]ooIr Y8  
    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。 tasUZ#\6  
    ^Wt*  
    详述案例 VU&7P/\f%  
    @\f^0^G  
    系统参数 n ~shK<!C  
    yXHUJgjl/  
    案例的内容和目标 @cFJeOC|  
    _3TY,l~  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 IOqwCD[  
    !bN*\c  
    _*1`@  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 nlW +.a[  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 v^d]~ !h  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 umt.Um.m2  
    4nh>'v%pD  
    模拟任务:反射光束整形设置 &e#~<Wm82  
    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。 ;#vKi0V7  
    &Low/Y'.jJ  
    q,93nhs "  
    NT e5  
    ,*7 (%k^`  
    3|'>`!hb  
    规格:像散激光光束 ?~hHGf\^b6  
    @d mV  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 #a'Ex=%rM  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 +^=8ge}  
    VQ7*Z5[1  
    $5ak_@AC  
    MP_ ~<Q  
    .J)I | '  
    +n{#V;J  
    规格:柱形抛物面反射镜
    i} .&0Fp  
                             y5 *Z 3"<  
     有抛物面曲率的圆柱镜 I %sFqh>  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 &jslyQ#  
     曲率半径等于焦距的两倍 }BZ"S-hZ  
    ?o81E2TJO  
    nxWY7hU  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) AiEd!u.  
    gMWjk7  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 ^c^#dpn  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) BJM.iXU)[  
     离轴角决定了截切区域 eYN5;bx)W  
    PIu1+k.r?  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) i rU 6D  
    q7_ m&-0)  
       $~VRza 8Q  
    ;<Ar=?  
    光束整形装置的光路图 BK)$'AqO  
    [5G6VNh=  
    `$,GzS(  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 Xejo_SV&?  
     因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 oSy yd  
    `6lr4Kk @R  
    反射光束整形系统的3D视图 r+":'/[x  
    MZSy6v  
    * w?N{.  
    *>|gxM8  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 f&BY/ n,  
     绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 x=b7':nQ  
    /Z~<CbKKl  
    详述案例 UTH*bL5/J2  
    F`gi_; c  
    模拟和结果 vk77B(u  
    uE%r/:!k4$  
    结果:3D系统光线扫描分析 95 ;x=ju  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 9$cWU_q{  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 WY?[,_4U  
    QZ6D7t Uc8  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd e+~\+:[?  
    [DJ|`^eKD  
    使用参数耦合来设置系统 `|{-+m  
    QEz? w}b*  
    g)#W>.Asd  
    自由参数: /|tJ6T1LrB  
     反射镜1后y方向的光束半径 1_9<3,7  
     反射镜2后的光束半径 Q.l}NtHwV  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 0AZ")<^~7  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 c~z82iXNO  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 ,\_1w  
    ,]9P{k]O  
    NW]Lj >0Y  
    vHyC;4'  
    ~;l@|7wGz  
    :r{<zd>;  
    vB.E3r=  
    自由参数: tSr8 zAV  
     反射镜1后y方向的光束半径 t;W0"ci9  
     反射镜2后的光束半径 T|nDTezr  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) "W6uV!  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ULs\+U  
    */sS`/Lx  
    b$N 2z  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 X{5vXT\/y  
    eD,.~Y#?=  
    aI P  
    结果:使用GFT+进行光束整形 .~~nUu+M  
    4ezEW|S  
    -`'I{g&A  
    e7 ^mmm  
    aS{|uE]  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 BmbyH{4  
    $ `ov4W  
    ??^5;P{yx  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 uxXBEq;  
    mWoAO@}Y  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 "|EM;o  
    ")SFi^]  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: |n2qVR,  
    7?#J~.d5  
    YmL06<Mh  
    Rw"sJ)/  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }JF13beU  
    ]OM"ZG/^  
    结果:评估光束参数 e^8 O_VB  
    SW H2  
    L{X_^  
     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。 ] ] !VK  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 ,|3MG",@@h  
    F^WP<0C  
    _GV:HOBi  
     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。 2<i!{;u$qL  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) yQ U{ zY  
    =O&%c%~q  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd +[M6X} TQ  
    o*-)Tq8GHE  
    光束质量优化 QX!-B  
    UbXh,QEG*  
    dzARI`  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 `tB gH_$M  
     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)。
    FEW14 U'O  
    o*b] p-  
    结果:光束质量优化 O8+7g+J=!  
    \z>fb%YW  
    /z4$gb7Y  
     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。 v_BcTzQ0S  
    p)jk>j B  
    TITKj?*o  
    y=fx%~<> 8  
     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。) RmI]1S_=  
    uW=k K0E  
    *T- <|zQ  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd )Lk639r  
    ERUz3mjA/  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 c?tBi9'Y]  
    n&L+wqJ  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 lsJSYJG&  
    |ax3sAg  
    h:W;^\J:-  
     这意味着参数变化是的正态 2POXj!N  
    ./- 5R|fN  
    [glLre^  
    u7Y WnD  
    ?h3Y)5xT  
     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。 ,g%0`SO  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 $ZUdT  
    Tre]"2l  
    &T+atL`N  
    Vrjc~>X  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run wu7Lk3  
    {'N Z.  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) O_2pIbh  
    (lXGmx8  
    Y#]+Tm (+  
    bbtGXfI+SB  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ]jtK I4  
    &#o~U$GBg  
    总结 O%Scjm-^X  
    NiNM{[3oS  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =qoWCmg"&  
    1.模拟 7G:s2432  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 "$~':) V"  
    2.研究 dWM'fg  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 h(<,fg1  
    3.优化 cCSs  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 >] qc-{>&  
    4.分析 !lREaSM  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 GX)u|g  
    可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 jk"`Z<j~  
    ~t@cO.c  
    参考文献 !xzeMVI  
    [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). <vnHz?71c  
    V8 e>l[tH  
    进一步阅读 sWQfr$^A  
    ?# Mr  
    进一步阅读 d)B@x`  
     获得入门视频 bADnW4N`6;  
    - 介绍光路图 9V'%<pk''(  
    - 介绍参数运行 )bA;?i  
     关于案例的文档 &qLf@1AD  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 5uGqX"  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens kJWn<5%ayg  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing [NQOrcAQ  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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