[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） $4{sPHi)I  
D)-LZbPa  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 4!/QB6   
5sJ>+Rg  
7z;2J;u`n  
)]fiyXA  
简述案例 F7<mm7BGZ  
#f#6u2nF\  
系统详情 NMkP#s7.y  
 光源 *F( qg%1+  
- 强象散VIS激光二极管 LLgw1 @-D  
 元件 g4^-B  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） V48_aL  
- 具有高斯振幅调制的光阑 c[-N A  
 探测器 |.c4
y*  
- 光线可视化（3D显示） UCVYO. 9"  
- 波前差探测 p6j-8ggL  
- 场分布和相位计算 I2/am8!u%  
- 光束参数（M2值，发散角） Ar>B_*dr  
 模拟/设计 9?\cm}^?  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 &oG>Rqkm  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： k1z`92"  
 分析和优化整形光束质量 )x!q;^Js9A  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 5~h)pt47  
v\w*VCjoV  
系统说明 11l=zv  
]|3hK/  
bhUE!h<  
模拟和设计结果 r%;|gIky  
Y^]n>
X  
数值探测器结果 P.YT/  
7X(2SI3m  
mPA)G,^  
)cH\i91  
XgxO:"B  
总结 p.:|Z-W$  
N #v[YO`.  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yq.@-]ytZ  
1.模拟 "7sv@I_j  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 @|(cr: (=H  
2.评估 qq!ZYWy2  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 _EMXx4J  
3.优化 R_j.k3r4d  
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。 wbWC &X.  
4.分析 SXsszb:_  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ! #Pn_e  
>4ex5  
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。 E#P#{_BR^  
x6K_!L*Fx]  
详述案例 +\+j/sa  
~Y43`@3H:  
系统参数 ddL3wQ  
% (h6m${j  
案例的内容和目标 ir'<H<t2  
MZ%J ]
Nd  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ~xG/yPl  
n_{&dVE  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 q2#Ebw%]  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 npeL1zO-$  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 `0ZH=*P  
:#vA5kC  
模拟任务：反射光束整形设置 0VvY(j:hp  
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。 &DGqY5=  
->qRGUW  
+_ehzo97  
k|xmZA*  
Eet/l]e#a  
u"5/QB{  
规格：像散激光光束 #U0| j?!D  
e|C2/U-  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 )T '?"guh`  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 X%-"b`  
TS#1+f]9J<  
{31X  
/7B3z}rd  
1f3g5y'z5  
zk }SEt-  
规格：柱形抛物面反射镜 7/&taw%i  
                         g&RhPrtl  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Nj4r[5K  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ;xq
;c\N  
 曲率半径等于焦距的两倍 0Runex[  
MuO(%.H  
Qv,ORm h5  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） FXk*zXn6  
}#Up:o]A!  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 E5gt_,j>  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） B$c'^ )  
 离轴角决定了截切区域 Bph(\= W  
?`vGpi~  
规格：参数概述（12° x 46°光束） j}lne^ h  
F6{ O  
    Dt5AG  
Nba1!5:M  
光束整形装置的光路图 0dx%b677d  
 pb<eg,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Y)8 Py1}  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 r,|}^u8`  
,*Wh{
)  
反射光束整形系统的3D视图 ;|=5)KE  
Qt"jU+Zoy  
~A/vP-  
Yk{4 3yw  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 1=_?Wg:  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 {niV63$m  
T*k{^=6"!  
详述案例 (CAVOed  
`j2|aX %Z*  
模拟和结果 {JQV~rfh`  
6X2w)cO  
结果：3D系统光线扫描分析 fuf'r>1n  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 abe5 As r  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ^~B#r#  
A;xH{vo{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 1A]  
s7`2ky()kz  
使用参数耦合来设置系统 u<\Sf"fs  
\= 6dF,V  
3cqc<  
自由参数： W'zI~'K  
 反射镜1后y方向的光束半径 6C_H0a/h&  
 反射镜2后的光束半径  fs
KZ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !':y8(Ou  
 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。 0 4ceDe  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 >.gT9
 
z9Y}[pN  
Y>i Qp/k:  
){J,Z*&  
jTsQsHq  
K?S5C8  
W1}d6Sbg  
自由参数： '8^>Z.~V  
 反射镜1后y方向的光束半径 sVS),9\}  
 反射镜2后的光束半径 30cb+)h(  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） U4NA'1yo  
 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。 Y0Rk:Njc  
x1+V  
Cj)*JZVG  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ~Ctq  
qaBL  
uw&p)  
结果：使用GFT+进行光束整形 yEL5U{  
?D@WXE0a  
r[nvgzv@  
XJ1<!tl  
:N=S nyz  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 d?GB#N|+g  
V?Ca[  
}(UU~V  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 CVgVyy^  
dJ,,yA*  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 G
$iC@,/  
@ojV8  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： T;Ra/H
 
PAjH*5IA  
y=e|W=<D&  
\BdQ(rm  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \avgXndI  
C1
(0jUz  
结果：评估光束参数 "&TN}SBW  
d+6-ten  
4q`e<!MP)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。 UNescZ  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ^s3SzB@  
7,D6RP(b  

}FAO.  
 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。 Z'\{hL S  
 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） .5YW>PV  
ujoJ6UOG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd v?#W/].C+  
~
i9'9PHX@  
光束质量优化 /-C6I:  
!L55S03  
\QMRuR.  
 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。 k9oLJ<.k  
 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）。 :J;*]o:  
=7%c*O <  
结果：光束质量优化 QR{pph*zn-  
CoQ<Ky}*  
`&)uuLn|  
 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。 ^yVKW5x  
\m3ca-Y  
gK>aR ^*  
k|F TT  
 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。） \~@a/J  
&-M}:'
  
<(dg^;  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd LRmH@-qP  
}SBpc{ch  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 o"e]9{+<  
)Vnqz lI5  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 .l u
fE  
)Uu! x6  
"~ eF%}.  
 这意味着参数变化是的正态 tU>?j1  
{Z{!tR?+  
rIZ^ix-N  
:]k`;;vh  
$Z{Xt*  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 EnnE@BJ"  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ^+'\ u;\  
L<M
H:  
|$a!Zx94^  
q, XRb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run jxNnrIA  
E [b6k&A  
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） w{5v*SHl}`  
x72T5.  
tg'2v/  
 hNF.  
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。 wDz}32wB  
 ]pP:  
总结 !;s5\91  
]B3\IT  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 >7I"_#x1:  
1.模拟 aX{i   
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 2 rx``,7Q  
2.研究 &d/x1=  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ),]XN#jp(u  
3.优化 )$7-CNWr~  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 af<wUxM0  
4.分析 On4tK\l@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 >,)tRQS  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 l.`f^K=8  
eY#_!{*Wn  
参考文献 Z_}[hz$  
[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). (nLT8{>0  
uKE?VNC]  
进一步阅读 =UMqa;\K  
# 8fq6z|JZ  
进一步阅读 Nr#" 5<W  
 获得入门视频 l0-zu6iw  
- 介绍光路图 5svM3  #  
- 介绍参数运行 `37$YdX  
 关于案例的文档 iX\]-_D  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens :#&Y  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens $Y9Wzv3Ra  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing vm
 Y*K  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair