[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 3oE3bBj  
0\a;} S'g#  
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 Qe;j_ BH  
[bZASeh  
9!UFLZR  
&XH{,fv$  
简述案例 m~U2L  
1 6G/'Hb  
系统详情 ,.PW qfb  
 光源 vddh 2G  
- 强象散VIS激光二极管 9G)q U  
 元件 hY^-kdQ>M  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Ey**j  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Ii4lwZnz  
 探测器 WTZr{)e  
- 光线可视化（3D显示） xfqW~&  
- 波前差探测 'l`T(_zL\%  
- 场分布和相位计算 =`y.L5  
- 光束参数（M2值，发散角） :.%Hu9=GL  
 模拟/设计 `Z!NOC  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 gt= _;KZ  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： +ziQ]r2g  
 分析和优化整形光束质量 )Og,VXEB  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ' *x?8-KP  
~e@pL*s  
系统说明 8`j;v>2
 
1XvB,DhJ  
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W`?F  
模拟和设计结果 a}]zwV&  
TRSR5D[  
数值探测器结果 SpG^kI #  
;q6FdS  
%}%vey  
cr_Q,
*  
g,seqh%  
总结 eE'2B."F  
?[K\X  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 q>X%MN y  
1.模拟 }\oy?_8~  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 0W1=9+c|X  
2.评估 XCTee  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 |Skxa\MI  
3.优化 &%/kPF~<  
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。 *0aU(E#  
4.分析 zFtRsa5+  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 8}0O @ wq  

Vgh_F8G!V  
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。 b-x,`s  
h) .([  
详述案例 /o19/Pvwm  
,.ln  
系统参数 2nFSu9}
+r  
9V%
s1@K  
案例的内容和目标 v!pT!(h4  
~Z'3(n*9  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 PB 
:Lj  
~X/1%  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 u!X$M?D4  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 mt+IB4`  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 x@I(G "  
#.(6.Li  
模拟任务：反射光束整形设置 ,ij"&XA  
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。 L##lXUl  
+##b}?S%  
~8-Z=-  
P>dMET  
/Wh} ;YTv^  
IR+dGqIjZb  
规格：像散激光光束 I]]3=?Y  
FX FTf2*T  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 5Z7<X2  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 \V|\u=@H  
/hef3DV5I  
8gv\
`
 
B?nQUIb:  
i'5Q.uX  
L44/eyrp  
规格：柱形抛物面反射镜 8}
\Lt  
                         dooS
|Mq  
 有抛物面曲率的圆柱镜 0@y
HT-Dy  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 [lqwzW{(UN  
 曲率半径等于焦距的两倍 ^1vh5D  
gsn3]^X  
$/aZ/O)F  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） b<de)MG  
bUf2uWy7  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Y. ]FVq  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 2<Tbd"x?  
 离轴角决定了截切区域 *7Ct#GC  
 iK$)Iy0  
规格：参数概述（12° x 46°光束） +zQ a"Ep*  
#7IM#tc@  
   %X Jv;|  
3[E3]]OVa  
光束整形装置的光路图 C:/O]slH  
gRS}Y8  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Sni Ck*T,  
 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。 .v36xXK(  
hBf0kl  
反射光束整形系统的3D视图 Ll%CeP  
\f6SA{vR|  
Gpws_jw  
wRn]  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ~F^(O{EG  
 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）。 %O`e!p  
31\l0Jg  
详述案例 Z~o6%_xe  
3%Z:B8:<y  
模拟和结果 3
7DyDzW)'  
hPa:>e  
结果：3D系统光线扫描分析
PG<tic<?  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 m$ZPQ0X  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 <(dHh9$~  
n}MW# :eJe  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \kU0D  
sK8=PZ\  
使用参数耦合来设置系统 >M{=qs  
I@a y&NNh  
nqNL[w6{  
自由参数： j:# wt70  
 反射镜1后y方向的光束半径 :DTKZ9>2D  
 反射镜2后的光束半径 7U>Xi'?  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ;*
^2,_  
 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。 )?#*GMWU  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 F!*u}8/_!  
{.=089`{  
a>x3UVf_  
K' xN>qc  
DD`Bl1)  
e^)+bmh  
@
sUYjB  
自由参数： m~cz  
 反射镜1后y方向的光束半径 R57>z`;  
 反射镜2后的光束半径 XKD0n^L[  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7\>P@s
  
 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。 D#}t)$"  
U~8;y'  
m20:{fld  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 #=mLQSiQ  
K.s\xA5`_  
N `-\'h  
结果：使用GFT+进行光束整形 Y
3W_Z  
Z<L|WRe  
'4-J0S<<_  
f]Jn\7j4  
\ng!qN  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 nBw4YDR!  
_L}k.  
Dv~W!T i  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 /J''`Tf  
xNlxi  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Jg} w{,  
xQLVFgd  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： g=*'kj7c3  
m)"gj**|y  
bMe/jQuL.$  
6Ih8~Hu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd $*N^bj  
je_:hDr  
结果：评估光束参数 ^pgVU&-~]/  
KrVP#|9%"  
=.T50~+M  
 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。 P1cI]rriW  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 P/%5J3_,  
&CP]+ at  
gY!+x=cx0  
 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。 %?<Y&t  
 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） $K& #
R-  
s{g^K#BoFi  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd B^|^hZZ>  
TS2zzYE6Z  
光束质量优化 KHnq%#  
t`F<lOKj  
0iS"V^aH  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 CuT~ Bj  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 K=Q<G:+&V  
O4`am:@  
结果：光束质量优化 =:neGqd\_E  
%=w@c  
"~V|p3  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 6gr?#D -F  
=74yhPAW  
4Nylc.2mi  
M~h^~:Lk  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ]2zzY::Sd=  
9Rf})$o+  
`1xJ1z#  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd _;zIH5 H  
L0^rw|Z%'  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 S/?!ESW6  
Z'Uc}M'U  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 G q&[T:  
c]Z@L~WW  
@#u'z~a)  
 这意味着参数变化是的正态 s?Wkh`b  
K>a@A
XC  
QmiS/`AAv  
%DQ!#Nl*  
w?JRY  
 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。 P<E!ix  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 e&k=fV  
rl__3q  
:Vnus @#r  
P#j>
hS  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ?xTdL738  
f.e4 C,  
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） $ca>bX]  

6+.8nx:9X  
gH u!~l  
-|cB7P  
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。 7g%.:H=  
(@(rz/H  
总结 hLo'q^mGr  
CqAv^n7 }  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 h*lU&8)m\  
1.模拟 i w(4!,4~  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 :c/](M  
2.研究 p E56CM  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 sry`EkS  
3.优化 hsJS(qEh.'  
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。 8|2I/#F}]  
4.分析 (X|`|Y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 XEpwk,8*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。 \L]T|]}(  
u.!<)VIJx  
参考文献 R=m9[TgBm  
[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). nq,P.~l
 
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进一步阅读 tj<0q<is  
U/j+\Kc~  
进一步阅读 z@tIC^s  
 获得入门视频 F#>^S9Gml  
- 介绍光路图 JQO%-=t  
- 介绍参数运行 XKEbK\  
 关于案例的文档 <x->
.R_  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens !fT3mI6u\  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 4+2hj*I  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing yS"; q  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair