[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） |}&RXD  
k)\gWPH  
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 W#w.h33)#6  
J1ON,&[J  
c@(&[/q!  
_ Y2 U7W  
简述案例 @I3eK^#|P  
=Ufr^naA  
系统详情 Q\Kx"Y3i  
 光源 N#xG3zZl|N  
- 强象散VIS激光二极管 ;^){|9@  
 元件 0$.m_0H  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） <X7\z  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Of}|ib^t  
 探测器 m}j
:nk  
- 光线可视化（3D显示） _Q(g(p&
  
- 波前差探测 %D}H|*IPu  
- 场分布和相位计算 El2e~l9  
- 光束参数（M2值，发散角） T? ,P*l  
 模拟/设计 1=}qBR#scY  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 "hz\Z0zg2  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： r{?TaiK  
 分析和优化整形光束质量 6i@\5}m=  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 s,]%dG!  
x*XH]&V  
系统说明 t~7V{ xk  
_banp0ywS  
Q4*-wF-P  
模拟和设计结果 L5YnG_M&  
)~)*=u/  
数值探测器结果 h@{_duu  
0u B'g+MU`  
O\KQl0*l\\  
E; $+f  
y3u+_KY-  
总结 o]n!(f<(*  
y@V_g'  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !9iGg*0dx  
1.模拟 &;T
J~r#K  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 UYP9c}_,4  
2.评估 `6Qdfmk=  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 K5t0L!6<+  
3.优化 'J)2g"T@  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Sw&!y$ed  
4.分析 ?L) !pP]  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 G2{O9  
\!50UVzm)  
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。 oPKr* `'  
,B}I?vN.  
详述案例 [P4$Khu$  
NSAF4e  
系统参数 )jrT6x^IB  
/c2'dJ(H  
案例的内容和目标 )D-c]+yt  
?']h%'Q  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 '|>9C^E9X  
M6r^L6$N  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 )3<:tV8  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 g?v\!/~(u  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 qGmNz}4D5  
aA`/E  
模拟任务：反射光束整形设置 qB]i6*  
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。 =,!\~`^  
DHC+C4  
 6Si-u  
iZ3W"Vd`b  
hG~reVNf  
)+")Sz3zx  
规格：像散激光光束 ?Ucu#UO
 
YT/kC'A  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 y)c5u%(  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 "&Dx=Yf  
V==z"  
o'<^LYSnB  
$2DuB  
>evS}O6  
iJxQB\x  
规格：柱形抛物面反射镜 i|)Su
4Dw  
                         @.$Xv>Jt$  
 有抛物面曲率的圆柱镜 88"Sai  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 g @I6$Z  
 曲率半径等于焦距的两倍 tcr//  
%Pqk63QF  
~n')&u{  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Awv`)"RAR  
RC|!+TD  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 YKbCdLQ  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） '\fY<Q:!  
 离轴角决定了截切区域 W>(/ bX  
I]"96'|N  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 9z;HsUv  
-V"22sR]  
   '1fNBH2  
t%zpNd2lk  
光束整形装置的光路图 lJP1XzN_  
f=!PllxL:  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 YJS{i  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 !J*,)kRN  
`u!l3VZ/4  
反射光束整形系统的3D视图 49Df?sx  
G'zF)0oD  
UmnE@H"t$\  
qQi.?<d2"s  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 8By,#T".  
 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）。 j#~Jxv%n  
3bqC\i^[\m  
详述案例 BYW^/B Y)  
`s '#  
模拟和结果 bk<\ujH  
O
?8Ni=]  
结果：3D系统光线扫描分析 +(O~]Q-Ez  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 3QSZ ZJ  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 DcMJ^=r8O:  
kpbm4t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 3Y)PU=  
@cRZk`|1n  
使用参数耦合来设置系统 y~ G.V,0  
+5.t. d  
z
|?R/Gf8  
自由参数： qjJBcu_C'S  
 反射镜1后y方向的光束半径 #>Y'sd5'A  
 反射镜2后的光束半径 0w'j+  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） G a;.a  
 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。 vvB(r!  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 2#X4G~>#h  
"M|P+A  
Y $g$x<7  
/2{
5;  
]fnnZ  
C8#@+Q.  
o ]Jv;Iy@?  
自由参数： 4RKW  
 反射镜1后y方向的光束半径 VN4yn| f/  
 反射镜2后的光束半径 L.xZ_ 6  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） &)i|$J 2.  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 dX8hpQ  
iFSJL,QZ3  
q;5i4|  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 c[}(OH  
jUj<~:Q}3o  
@4%L36k  
结果：使用GFT+进行光束整形 GN#<yv$av  

xE}VTHFo'  
Ub0/r$]DK  
, "jbq~  
5`~mmAUk;`  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
1\RGM<q$f  
MyJ4><oG  
rQ4*k'lA:  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 _u"nvgVz9  
It_M@  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 +u@aJ_^
 
|qcD;  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Id8wS!W`7  
0O@_cW  
X'sEE  
d{+(Lpj^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd oT+(W,G  
y>o>WN<q  
结果：评估光束参数 LVtu*k   
a<Uqyilm  
Q}vbm4)[  
 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。 D5]{2z}k  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 d+2daKi  
f@z*3I;  
L/r{xS  
 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。 D!FaEN  
 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(i?M~3\t  
Vu]
h4S:  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd g'lT  
`.BR=['O  
光束质量优化 \KM|f9-b  
xfHyC'?  
Ti= 3y497S  
 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。 S ~|.&0"\  
 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）。 !oMt_k X  
g()m/KS<  
结果：光束质量优化 tHI*,  
D s-`  
J/Q|uRpmqr  
 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。 {yq8<?  
f'{>AKi=C  
jxY-u+B  
Fj=NiZ=  
 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。） gue(C(~.k_  
h5onRa*
7  
km>o7V&4G  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ~775soN  
0n5UKtB  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 g_ M-F  
:C%47qv  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 I'IB_YRL4  
?0J0Ij,  
0j@IxEPs  
 这意味着参数变化是的正态 f5?hnt`m  
Z=9dMND  
i$O#%12l  
Ju
J5qIal  
V\zsDP  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 U42\.V0  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 .BL:h&h|y  
WEC-<fN|Y\  
s/S+ ec3  
AQ}l%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run I7Zq}Pxa  
~&~C#yjg1  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） :&$Xe1)i]  
? ).(fP  
@Z2/9K%1'  
'%Dg{ zL  
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。 yS"0/Rm}  
& =sayP  
总结 Ph\F'xROe  
m?vAyi
  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 4H9xO[iM  
1.模拟 &|] Fg5  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 },3R%?89%  
2.研究 UJs?9]x>  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 PDZ)*$EE  
3.优化 |ZuDX87  
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。 /2'c>  
4.分析 g[<uwknf  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 2^ kn5  
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。 XAlD  ww  
m[#%/  
参考文献 mZ&]  
[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). nTQ (JDf  
{8i}Ow  
进一步阅读 oG
9SO^v_  
?/L1tX)  
进一步阅读 b6$4Ul-.  
 获得入门视频 .?7So3  
- 介绍光路图 4w2L?PDMi  
- 介绍参数运行 )xbqQW7%0+  
 关于案例的文档  A8`orMo2  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens '.xkn{c  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens k dUc&  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Ut=0~x.=<  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair