[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） f!#!  
/ }$n_N\!)  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 I@9'd$YY  
6u+aP  
ySmbX  
[DM0'4  
简述案例 aU_Hl+;  
u7[}pf$}  
系统详情 mvZ#FF1,J  
 光源 8;DDCop 8L  
- 强象散VIS激光二极管 ?![[la+f  
 元件 kzRJzJquP  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 6j<!W+~G  
- 具有高斯振幅调制的光阑 byM-$l  
 探测器 rYr*D[m]  
- 光线可视化（3D显示） |sReHt2)d  
- 波前差探测 _5-h\RB)  
- 场分布和相位计算 R);Hd1G  
- 光束参数（M2值，发散角） Fa )QDBz)  
 模拟/设计 3@gsKtA&H4  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 (*9.GyK  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： dg24h7|]  
 分析和优化整形光束质量 )?$[iu7 s  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 IQ I8v  
;Y^'$I2fR#  
系统说明 RPW46l34  
c;$4}U4  
06S R74  
模拟和设计结果 f_jhQ..g<g  
*i]?J  
数值探测器结果 ;KlYiu  
{6zNCO  
DpT9"?g7  
-[=eVS.2%  
5.9<g>C  
总结 +P2oQ_Fk`9  
-^xbd_'  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 QJVbt  
1.模拟 n:%4SZn  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 5G f@n/M"  
2.评估 !ajBZ>Q  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 qSc-V`*  
3.优化 |vI`u[P  
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。 R c+olJ^5  
4.分析 SMX]JZmH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 -fq  
_B0(1(M<2  
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。  K& #il  
<&3P\aM>  
详述案例 $a M5jH<  
X8$i*#D  
系统参数 B.q/}\ ?(  
p{g4`o  
案例的内容和目标 =SfNA F  
_=GjJ~2n  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 O[Vet/^)  
Jb QK$[z"  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 X-c|jn7
 
 之后，研究并优化整形光束的质量。 'ToE Y3  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 0gd`W{YP  
SMEl'y  
模拟任务：反射光束整形设置 wjA wJOw|  
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。 Eomfa:WL  
)+G"57p  
+%JBr+1#\  
s1:Wrz?4  
iW5cEI%tb  
\}Jznzx;
 
规格：像散激光光束 *F\wWg'!B  
_U s"  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 p F-Lz<V  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Z0,jg)sA4  
x-BU$bx5  
o(*\MTt?  
2S?7j[@%i`  
2q~.,vpP  
l0qaTpn  
规格：柱形抛物面反射镜 F9fLJol  
                         $.PRav  
 有抛物面曲率的圆柱镜 lsz3'!%Y)  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 UA>=# $  
 曲率半径等于焦距的两倍 -?Cr&!*B  
m2PUU/8B/  
wQhNQ(H~\  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） >qeDb0  
\ruQx)5M  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Xw?DN*`L  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） &dyQ6i$],  
 离轴角决定了截切区域 r48|C{je-  
$ev+0m_  
规格：参数概述（12° x 46°光束） scg&"s  
>8f~2dH2%  
   y )QLR<wf  
nu0pzq\6  
光束整形装置的光路图 [:8\F#KW  
bb6x} jR  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 4^F[Gp?  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 eZ'8JU]  
,lZ19B?WP  
反射光束整形系统的3D视图 Z-iU7 O  
`Fd \dn  
8 v/H;65  
B)0/kY7c  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 'S`l[L:.8  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 ;uBGB h<  
6S`_L  
详述案例 V*vQNPey  
'RjEdLrI  
模拟和结果 z|#*c5Y9w  
\Zj%eW!m  
结果：3D系统光线扫描分析 &Hoc`u  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 m#_B
F#  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 GwX)~.i  
y=Y k$:-y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .n8R%|C5  
]Lv

P)0=  
使用参数耦合来设置系统 PmuG(qg  
zMSwU]4I!  
A8% e_XA  
自由参数： 7`|'Om?'  
 反射镜1后y方向的光束半径 kckRHbeU  
 反射镜2后的光束半径 C[7!pd  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） vk7IqlEQ  
 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。 %1?t)Bg  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 %' DOFiU  
5rsz2;#p  
?8~l+m6s$  
4|x_C-@  
N:`_Vl  
u?,>yf.;s  
v=k+MvX  
自由参数： }U}zS@kI  
 反射镜1后y方向的光束半径 J!C \R
5\  
 反射镜2后的光束半径 RY;V@\pRY+  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） iv*RE9?^  
 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。 ?!RbS#QV}  
+SFFwjI  
R27'00(Z0  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 x^lcT  
~XR('}5D  
Wl| i$L)7  
结果：使用GFT+进行光束整形 9vRLM*9|  
z^9oaoTl  
ka_m Q<{9  
f ,e]jw@  
\(Ma>E4PNU  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 @qNY"c%H
V  
WJ8i=MO67  
klKUX/g  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 +$C9@CZM9  
<X*oW".  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 T@1;Nbz]  
I~l qg  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ?dJd7+A  
OU{c|O  

xP\s^]e  
qc(e3x  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd YP,,vcut
 
k|OM?\  
结果：评估光束参数 ';R]`vWFe  
B EwaQvQ!  
Ou
[`)|>  
 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。 Noj*K6  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 lJ3VMYVrUP  
`,AOxJ:$  
|uy@v6  
 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。 t?9J'.p  
 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） YeCnk:_ kg  
2)IM<rf'^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd dNR/|  
[W )%0lx  
光束质量优化 B W*8  
+pYgh8w@  
{XU!p: x  
 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。 syu/"KY^!  
 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）。 A.*e8a/6X  
k -G9'c~  
结果：光束质量优化 Sfe[z=7S  
=|J*9z;  

#~p;s>  
 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。 8(`e\)%l0  
e/hCYoS1n  
T[4xt,[a  
<,$*(dX)(  
 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。） qG,h 1  
SE*;6&yL  
0V6, &rTF  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd _wXT9`|3  
}h`z2%5o  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 |8E~C~d  
L:C/PnIV  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 m?wQk:Y1  
z?13~e[D  
`XF[
A8@h  
 这意味着参数变化是的正态 H, 3Bf
 
bbq`gEV  
MP}-7UA#K  
W'"hjQ_  
x#E M)Thq  
 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。 QeF:s|[  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 r1F5'?NZ(0  
G1it 3^*$  
l`~
$cK!  
gK~Z Ch  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run rXmrT%7k  
YKUAI+ks  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） lZ5-lf4  
M#Z^8(  
m\*ca3$  
_S[@?]=`b  
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。 47Vt8oyh%  
Zbl*U(KU?  
总结 8\E=p+C  
!^Ay!  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )J]NBE:8  
1.模拟 S7J.(; 82  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 -N/n|{+F  
2.研究 !0^4D=dO  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 t,TlW^-  
3.优化 xBc$qjV
 
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。 [-Z 6QzT  
4.分析 ug{sQyLN  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ~tTa[_a!  
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。 2@T0QJ  
fN{wP,jI  
参考文献 [jNVk3  
[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). T-n>+G{  
7#"y mE  
进一步阅读 qm#?DSLap  
m; =S]3P*  
进一步阅读 3v$n}.  
 获得入门视频 6`7`herE}  
- 介绍光路图 o9ys$vXt*  
- 介绍参数运行 Z 9cb  
 关于案例的文档 orWF>o=1  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens n9 bp0#K  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens o4 "HE*  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing zI"&g]TV5  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair