[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ~GJN@ka4%  
Jq ]:<TQ  
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 g> S*<  
:jEPu3E:  
LO:fJ{ -  
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简述案例 @ O>&5gB1u  
nmFC%p)4  
系统详情 ceT&Y{T  
 光源 s '?GH  
- 强象散VIS激光二极管 ^YvB9XN  
 元件 X"q!Y#)  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） a%BeqSZh  
- 具有高斯振幅调制的光阑 }-@4vl x$  
 探测器 DJ@|QQ  
- 光线可视化（3D显示） ;heHefbvvd  
- 波前差探测 gRJfX%*F  
- 场分布和相位计算 p?X02 >yA  
- 光束参数（M2值，发散角） fNu'((J-  
 模拟/设计 9\;|x  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 _qXa=|}V.  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： kJQ#Wz|z]  
 分析和优化整形光束质量 8|Y.|\  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 !yOeW0/2[  
!xIm2+:(  
系统说明 X
z 4 x  
qTQ!jN  

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模拟和设计结果 Zm ogM7B  
q2rUbU_A(  
数值探测器结果 !ZRs;UZ>o  
TBrGA E  
hsKmnH@#  
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%wptZ"2M  
总结 VOTv?V
f  
A"5z6A4WB  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 z*$q8Z&7rg  
1.模拟 Q7X3X,  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 SLfFqc+n0  
2.评估 E\nv~Y?SG  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 {nT^tAha  
3.优化 \dQx+f&t  
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。 &k7;DO  
4.分析 CSPKP#,B0[  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 6 15s5ZA  
G rmzkNlN  
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。 xVL5'y1g B  
'})0!g<Y  
详述案例 NcPgq?3p  
[+m?G4[  
系统参数 G`fC/Le  
l1U=f]  
案例的内容和目标 D]a<4a18  
z7M_1%DEx  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 wkqX^i7ls  
38DT2<qC  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 obrl#(\P  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 mI*[>#q>  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 !o=U19)  
r0d35
 
模拟任务：反射光束整形设置 l!}:|N Yh!  
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。 e!Y0-=?nf#  
uEyH2QO  
ZOXIT(mg  
g,o?q:FL  
n+lOb  
/xGmg`g<#  
规格：像散激光光束 =[\s8XH,  
;,i]w"*  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 'TH15r@  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 a22Mufl  
r<F hY  
*_E|@y  
}g#&Q0
 
mWR4|1(  
9% l%  
规格：柱形抛物面反射镜 XNQAi (!GS  
                         uZfnzd)c  
 有抛物面曲率的圆柱镜 V-n&oCS+f  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 I$E.s*B9  
 曲率半径等于焦距的两倍 s&\I=J.  
Y6,Rj:8  
&E xYXI  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） N]KxAttt  
Mu'8;9_6  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [=B$5%A  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） [,2|Flf e  
 离轴角决定了截切区域 it]E-^2>  
fDG0BNLY  
规格：参数概述（12° x 46°光束） d*)CT?d
&  
xss`Y,5?  
   %IC73?  
+f*OliMD  
光束整形装置的光路图 f2,jh}4  
>^XBa*4;Y  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 F(na{<g};  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 L\y;LSTU  
Qne/g}PD`  
反射光束整形系统的3D视图 h3dsd  
s'kDk2r  
It2" x;  
u,}{I}x_  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 vjjSKP6B  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 Q{B}ef  
LM&y@"wfm  
详述案例 CHV*vU<N  
7^w >Rj  
模拟和结果 !"8fdSfg w  
p~*UpU8u  
结果：3D系统光线扫描分析 ,t\* ZTt$  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 \GHiLs,!  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 V+I|1{@i0  
i1S>yV^l  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 2h[85\4  
[HCAmnb  
使用参数耦合来设置系统 0ez(A  
TDd{.8qf  
KiJT!moB  
自由参数： < yC  
 反射镜1后y方向的光束半径 &3yD_P_3  
 反射镜2后的光束半径 hs}8xl  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） nu'M 39{  
 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。 qhT@;W/X  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Zh_|m#)  
R
'S0 zp6  
271&i  
-!c"k}N=  
qIld;v8w"g  
msVOH%wH  
,_"AT!r  
自由参数： {dmj/6Lc  
 反射镜1后y方向的光束半径 d>{nQF;c  
 反射镜2后的光束半径 `[C!L *#,  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） bT&: fHc  
 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。 gks{\H]  
U#3J0+!  
;\p KDPr  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 `F/Tv 5@L  
}[M`uZ  
8=]Tr3   
结果：使用GFT+进行光束整形 y.[Mnj  
U^Xm)lL  
ij?  
9;veuX#(  
P3oI2\)*i  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 +"1NC\<
*  
6oBfB8]:d  
< P`u}  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 )KP5WudX  
_)\c&.p]f  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
;&ASkI  
:H c0b=  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ;X?mmv'  
h(5P(`
M  
3\X
bmq8}  
\|K;-pL  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !H ~<  
|m2X+s9  
结果：评估光束参数 ;$z$@@WC  
)HvnoUO0  
"I QlVi  
 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。 kcQ'$<Mz<  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 435;Vns\n  
J&T.(  
8H_l:Z[:i  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 # 0Lf<NZ  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） #y%!\1M/:A  
~j<+k4I~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd i@4~.iZ8  
k68F-e[i^  
光束质量优化 Ry|!p
V  
L =8rH5  
(<)]sp2  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 -e8}Pm "  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 KjQR$-  
A]DTUdL  
结果：光束质量优化 0fYj4`4=n  
V<j.xd7  
d20gf:@BM  
 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。 ?`4+cx}n  
T8HF|%I  
t1%_DPD%W  
A7n\h-b  
 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。） nH<eR)0  
&cu lbcz  
o";Z$tAJkC  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd rSJ9v:  
WH= EPOR,  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 %wSj%>&-R  
p1|f<SF')  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 (x3.poSt  
3#TV5+x*"`  
AU$Uxwz4  
 这意味着参数变化是的正态 D)d~3`=#  
'UYR5Y>  
V,G|k!!  
B~_d^`  
EcCFbqS4W  
 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。 ,j$Vvz  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 3l#IPRn9AO  
iURk=*Z=  
fF V!)Zj  
)lZp9O  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run YWxc-fPZ  
 0gfA#|'  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） zNIsf"  
u,w:SM@*(  
ivW(*c  
YE9,KVV;$n  
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。 oD$J0{K6  
rhb@FE)Mc  
总结 $]A/ o(  
,.qMEMm  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #jxe%2'Ot  
1.模拟 $n^gmhp  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 $O dCL  
2.研究 QJ7L7S  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 G3{=@Z1  
3.优化 ?IGVErnJJC  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 a@0BBihz  
4.分析 aM$W*-Y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 f`&dQ,;  
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。 Jyqc2IH  
4M^G`WA}t9  
参考文献 HVC>9_:]  
[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). (1NA  
44F`$.v96  
进一步阅读 b&5lYp"d  
hjQ~uqbg  
进一步阅读 ;j)FnY=:-  
 获得入门视频 ._+J_ts  
- 介绍光路图 Px
fY&;4n!  
- 介绍参数运行 w#g#8o>'  
 关于案例的文档 X 51Yfr  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens q.()z(M7  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens q=9`06
  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ;Yg{zhJX~  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair