[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 7bctx_W&6  
&r&;<Q  
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 }9{dR4hD  
M' &J_g  
^RYn8I  
"2*G$\  
简述案例 ]ev*m&O  
T+`xr0  
系统详情 Hlz'a1\:O]  
 光源 $Sp*)A]E`  
- 强象散VIS激光二极管 j9{O0[v  
 元件 w%>aR_G  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） $KoPGgC[  
- 具有高斯振幅调制的光阑 x, G6\QmA  
 探测器 i58ZV`Rk`  
- 光线可视化（3D显示） t#fs:A7P?}  
- 波前差探测 %4?SY82  
- 场分布和相位计算 hubfK~  
- 光束参数（M2值，发散角） %4bO_vb<9  
 模拟/设计 L!CX&
 
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 L~@ma(TV{K  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 3r,1^h  
 分析和优化整形光束质量 aK8bKlZe  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 2#>$%[  
*ge].E  
系统说明 #pS]k<o%1  
`,F&y{A  
Q%M'[L?[  
模拟和设计结果 BP)q6?Mz  
<;2P._oZ  
数值探测器结果 w8eG;  
l.__10{  
A[sM{i~Z  
YD/B')/ s  
'5|Q<5!o  
总结 ]_^"|RJ  
-X"5G  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :BewH?Ku  
1.模拟 oV0LJ%  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 k#1`  
2.评估 [;>zqNy  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 -mev%lV  
3.优化 P!`Q_h6a  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Hs:4I  
4.分析 K7t&fDI  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 6%\7.h  
H
mz=/.$  
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。 4A\BGD*5  
/|4Q9=  
详述案例 W~XV  
blKDQ~T2  
系统参数 ^kCk^D-Gz  
A}>|tm7|  
案例的内容和目标 VxUvvJ{-v  
#~bU}[{  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 @+0@BO12  
q7 %=`l  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 !SLP8|Cd  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 fP^W"y  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 P?Gd}mdX?m  
^%K1R;  
模拟任务：反射光束整形设置 +z
]:CF  
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。 lKh2LY=j  
d&PE,$XC  
kcq9p2zKv  
aH5t.x79b  
R`Ys;g/!  
>cwJl@wx-  
规格：像散激光光束 v7{ P].M  
E)&NP}k-P  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Pi&fwGL  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5
t"bCzp  
B#qL$M,|  
;ZxK3/(7  
?MV[=LPL  
I,],?DQX2)  
Gx(KN57D  
规格：柱形抛物面反射镜 Q{H!s_6iyv  
                         Y0P}KPD  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Ak\D6eHcB  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 zumR(<l  
 曲率半径等于焦距的两倍 |kBg8)
.B  
)o " SB1  
KRnB[$3F1  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） mFgb_Cd  
$4$?M[  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 |?;"B:0  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） E i\J
9zt  
 离轴角决定了截切区域 bBeFL~  
1}n)J6m  
规格：参数概述（12° x 46°光束） q_9N+-?{7  
)9A<fwpN  
   a>)_ `m  
{|Mxvp*Hg  
光束整形装置的光路图 k$$S!qi#  
E5Snl#Gl\0  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 W[[YOK1T  
 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。 |h^G$guw  
UijuJ(Tle  
反射光束整形系统的3D视图 H649J)v+m  
$.r}g\43P  
dFI.`pB  
 bbQ10H  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 AXNszS%4  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 PoBukOv  
A3 Rm0  
详述案例 ' F 6au[  
tvj'{W  
模拟和结果 QRg"/62WCD  
Y>dg10=  
结果：3D系统光线扫描分析 i)`zKbK  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 IJ #v"! D  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 cOZajC<G  
\J3v>&m<7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |j5AU  
^;bGP.!p  
使用参数耦合来设置系统 HkfSx rTgQ  
I).^,%>Z)  
P5 <85t  
自由参数： -+ IX[  
 反射镜1后y方向的光束半径 uc"[qT(X  
 反射镜2后的光束半径 L3G)?rPFC#  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） vUIK4uR.  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 6M<mOhp@}n  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 G5XnGl}Q  
!Lg}q!*%>V  
@|\s$L  
~qLhZR\g^  
9/X v&<Tn  
!g8.8(/t)  
PE;0 jgsiI  
自由参数： 8tFyNl`c  
 反射镜1后y方向的光束半径 !3X%5=#L4  
 反射镜2后的光束半径 v;F+fOo  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /J9T
=N  
 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。 0R%uVJG  
n4r( Vg1GS  
whg4o|p  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 u7y7  
=VX<eV  
lA^Kh  
结果：使用GFT+进行光束整形 k`4\.m"&  
B,VSFpPx  
gU 2c--`  
7q{v9xKy  
!,(bXa\^  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 x_H7=\pX
]  
Bdk{.oh6  
TeN1\rA,  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ygy#^  
.pu`\BW>  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 u2.r,<rC*Q  
CK`3   
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： koWb@V]  
[Ey%uh 6*  
I#6' NZ  
zH\;pmWiN9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd pt|$bU7  
~PAbLSL*u  
结果：评估光束参数 @okm@6J*X  
g7Q*KA+  
0Eg r Q  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 :~A1Ud4c  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ^CZ|ci6bX  
fvBC9^3  
uxJiec`&  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 [,A'  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） q2U"k  
` Ehgn?6'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd jeuNTDjeL  
N4]6LA6x6  
光束质量优化 N,+g/o\f  
|`D5XRVbi  
0v)mgrl=,  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 FCB/FtI0  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 c"&!=@  
IEsD=  
结果：光束质量优化 P:h4  
>`V|`Zi ?  
iU+,Jeu  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 Xqva&/-  
r_<i*l.  
3UtXxL&L`  
mt]YY<l  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） L$?~TY  
[Ik B/Xbw|  
9oN'.H^  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Oy`\8*Uy__  
 hahD.P<  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 nk,Mo5
iqV  
&$Ip$"H  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 nPX'E`ut-V  
Ytnr$*5.  
]x{H  
 这意味着参数变化是的正态 :<3;7R'5  
(eIxU&o'  
E1Aa2  
Jj!tRZT  
<1%XN  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 NbMH@6%E  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。
8r|  
Pw{{+PBu R  
t4W0~7  
8$tpPOhzb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run aZ3 #g  
SL5DWZ  
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） KEB>}_[  
{$=%5  
n&{N't  
T $]L 5  
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。 ?O^:j!C6  
T<,tC"  
总结 `.Q3s?1F  
RwHXn]
1  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 g[)hm`{?  
1.模拟 %Ne>'252y  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 2*E<G|-F  
2.研究 GB Un" _J  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9 f/tNQ7W  
3.优化 4nXS9RiF2  
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。 WoR**J?}w  
4.分析 hpKc_|un  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ~OfKn1D  
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。 _ L6>4  
Q%d[U4@  
参考文献 56aJE .?<  
[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). $)a5;--W  
u3!!_~6,z  
进一步阅读 r/:'}os;  
teALd~;  
进一步阅读 e+aQ$1^t  
 获得入门视频 #?|z&
9  
- 介绍光路图 A|nU _*  
- 介绍参数运行 k
(^b  
 关于案例的文档 @2O\M ,g5  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (G'ddZAJV  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens .v8
=zi:7Y  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 5mBk[{  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair