[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） w\V<6_[vv.  
_F^NX%  
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 %|f@WxNrU  
i.eMrzJ|  
gp H@F
X  
/q7$"wP  
简述案例 cf*~Gx_l  
3/(eK%d4Xb  
系统详情 k)y<iHR_o  
 光源 qLKL*m  
- 强象散VIS激光二极管 3O_O5  
 元件 P=9UK`n  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） YB^m!A),I[  
- 具有高斯振幅调制的光阑 H7<g5pv  
 探测器 ^EW6}oj[  
- 光线可视化（3D显示） f9IqcCSW  
- 波前差探测 }*aj&  
- 场分布和相位计算 +bb-uoZf  
- 光束参数（M2值，发散角） hgwS_L  
 模拟/设计 ?[WUix;  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Nd@/U c  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： vkM_a}%<  
 分析和优化整形光束质量 CWB<I  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 "+ k}#<P4\  
m")p]B&i=  
系统说明 ,W/Y@Sc
C  
7qWa>fX  
d>r]xXB6  
模拟和设计结果 D$w?  
2Qc_TgWF  
数值探测器结果 t+^__~IX  
) :Px`] 5  
r/0AM}[!*j  
Y;dqrA>@  
uBC#4cX`D*  
总结 tn(6T^u  
-&)  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "avG#rsH  
1.模拟 9J<vkxG9`  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ' 8Q}pp`  
2.评估 5a2;@}%V  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ygK,t*T20  
3.优化 `}a-prT<f  
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。 GW7+#  
4.分析 "{~^EQq,  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bhfKhXh8  
}We-sZ/w7r  
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。 Q#&6J=}  
3u s^\w#  
详述案例 R[m+s=+  
Kv#Q$$)r  
系统参数 F+W{R+6  
5
*Dh#FRp  
案例的内容和目标 Wi~?2-!   
7x*C` Et<x  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 KR%NgV+}!0  
[8 23w.{]#  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 _b 
*gg  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 (I{+%  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 R(f%*S4  
{Wr5F9q  
模拟任务：反射光束整形设置 k[*> nE  
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。 TpHzf3.I  
@Q!Tvw/  
SF"r</c[  
'S9jMyZrZ  
fEGnI
\  
DD[<J:6  
规格：像散激光光束 0^F!-b^z  
&F*eo`o}6  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 S&Hgr_/}c  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 v[jg|s&6"  
o}52Qio  
Odw9]`,T  
1>umf~%Wa  
L;6{0b58$  
X2YBZA  
规格：柱形抛物面反射镜 m;U_oxb  
                         <uo@k'   
 有抛物面曲率的圆柱镜 yEkwdx5!(  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 hdH3Jb_hl(  
 曲率半径等于焦距的两倍 o Z%oP V:  
g?u=n`k]\  
S2#@j#\  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） c&PaJm  
*-E'$  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 02YmV%  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） xgvwH?<  
 离轴角决定了截切区域 `1lGAKv  
^bLFY9hSC  
规格：参数概述（12° x 46°光束） \Y6r !D9  
\86N
V="U  
   | _nBiHjNn  
#W4 "^#2  
光束整形装置的光路图 ku#WQL  
nUCOHVI7  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 h"f_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。 lx> ."rW  
h:KEhj\d?  
反射光束整形系统的3D视图 \4O_@d`A  
vb9C&#  
%Y9CZRY9  
YhP+{Y8t  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 .d?LR
f  
 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）。 {/qQ=$t  
OMBH[_  
详述案例 !&5*H06  
>.uIp4@(  
模拟和结果 F'T.-lEO_d  
mrig5{  
结果：3D系统光线扫描分析 aYc^ 9*7  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 2G_]Y8  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N686~  
Q07&7SH_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd d)d0,fi?-  
h-DHIk3/  
使用参数耦合来设置系统 dk0} q6~
 
-&lD0p>*g  
3^-\=taN<m  
自由参数： ClNuO  
 反射镜1后y方向的光束半径 o4agaA3k  
 反射镜2后的光束半径 bV+2U  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） U/_hH*N"!  
 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。 MSB/O.  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 m^w{:\p  
TIK'A<  
F3L+X5D.yu  
t/l<X]o  
,hm&]  
yq[@Cw  
Lyit`j~yH  
自由参数： ~ ea K]|  
 反射镜1后y方向的光束半径 8\jsGN.$JZ  
 反射镜2后的光束半径 l hST%3Ld  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） .hnq>R\  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 3$.#\*s_4  
RiFUa $  
$VF$Ok>  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 kdaq_O:s  
#WS>Z3AY  
EK&0Cn3z  
结果：使用GFT+进行光束整形 wJ"]H!r0  
6Cfsh<]b  
!OMCsUZ  
L\V`ou  
u'T-}95 V  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 }$ Kd-cj+  
E'NS$,h  
\[]?9Z=n  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 /rky  
U+C^"[B  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ) $0>L5d:  
{|B[[W\TN  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： l]gW_wUQd  
Xz9[0;Q  
&9"Y:),  
:Gew8G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Vhr6bu]  
!~V^GlY  
结果：评估光束参数 V^rL  
;>S|?M4GZ  
*||Q_tlz  
 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。 9ExI,  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 &I%E8E  
IW-|"5?9'  
]2 $T 6  
 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。 G*jq5_6  
 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） i0zrXaKV  
xW2?\em  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ia3!&rZ  
*2rc
Y  
光束质量优化 X(\L1N  
WW2hwB(  
)lz~Rt;1i  
 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[!dm_  
 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）。 B9%
%jEH*  
yH>C7M7t  
结果：光束质量优化 Bf6i{`!G  
c?REDj2  
*)Cr1d k  
 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。 4O/IT1+A  
g-1j#V`5  
5&O%0`t  
KY%{'"'u  
 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。） H8=:LF  
pOh<I{r1  
)xKW  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd nh"dPE7^  
u[oV Jvc  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 E!BzE_|i  
$EEn]y  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 P}qpy\/(4  
es~1@Jb  
p\9}}t7n  
 这意味着参数变化是的正态 Pai8r%Zfu  
= ^Vp \  
iz{TSU  
os&FrtDg  
lI+^}-<  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 DEt!/a{X  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 .N@+Ms3  
TbN{ex*  
SynRi/BRmw  
/wl]kGF  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run x5V))~Ou  
qvK/}  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） r| )45@  
DdUw~n,  
kFC*,  
XgM&0lVT  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 BG= J8  
oif|X7H;  
总结 Cb`,N  
L
F} d  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )tnbl"0  
1.模拟 f}p`<z   
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 odC"#Rb  
2.研究 \7>*ULP  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ^y KkWB*  
3.优化 9V[}#(f$  
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。 Zq<j}vVJ  
4.分析 `9+R]C]z8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 k0#s{<I]E  
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。 w0lgB%97p  
au/LoO#6Ro  
参考文献 gmgri  
[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). tHHJ|4C  
E2YVl%.
 
进一步阅读 c5b}q@nH  
0t}v@-abU  
进一步阅读 8q9ATB-^>  
 获得入门视频 1X5Yp|Ho  
- 介绍光路图 6M_:D  
- 介绍参数运行 :z&kbG  
 关于案例的文档 v'b%m8  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens P=KhR&gwV~  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens X0-PJ-\aD@  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing *w O~RnP  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair