[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） E|Bd>G  
Qqs"?Z,P  
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 T!q_/[i~7  
TZ^LA L'8_  
_rQUE
^9  
kL{;.WsB  
简述案例 t\U$8l_;  
lhn8^hOJ/  
系统详情 )jW(6  
 光源 +Al>2~  
- 强象散VIS激光二极管 ayp b  
 元件 g%J./F=@3  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） A-E+s~U8  
- 具有高斯振幅调制的光阑 mE$dO3  
 探测器 ryD%i"g<  
- 光线可视化（3D显示） pD`/_-=^h  
- 波前差探测 m$UvFP1>u1  
- 场分布和相位计算 /MMtTB H  
- 光束参数（M2值，发散角） HR{s&ho  
 模拟/设计 ]Bu DaxWN  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 :F|\Ij
0T  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： =TcOnQj  
 分析和优化整形光束质量 r7z6___  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 E1q%gi4Q%  
T`L}[?w  
系统说明 TnxKR$Hoh  
6OUvrfC(H  
Cyk s  
模拟和设计结果 8Pmwzpk02  
N_'+B+U?  
数值探测器结果 }0eg{{g8  
DnyYMe!r  
+mWjBY  
xEoip?O?7F  
A!HK~yk~Q  
总结 G\rj?%  
b :\D\X  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。  ]6~k4  
1.模拟 8]*Q79  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 iz x[  
2.评估 c>MY$-PD  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )mD\d|7f  
3.优化 G.jQX'%4QG  
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。 (KF7zP  
4.分析 LD.Ck
6@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 z-Hkz  
$[e%&h@JR  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 ya>N
.h  
JLW$+62  
详述案例 QWhp:]}  
A~y VYC6l  
系统参数 x70N8TQ_gK  
;/A}}B]y  
案例的内容和目标 RjtC:H&XZ  
]7<m1Lg  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 i7v/A&Rc  
"Z9^
}  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 &wGg6$  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 m.146  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 %Rn:GK  
vahf]2jEB  
模拟任务：反射光束整形设置 M)=|<h"F  
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。 Ar~{=X  
&!#2ZJ}{  
Oy'0I,  
a(Sv,@/  
7K !GK  
bw;iz,Z  
规格：像散激光光束 BD4"pcr  
onh?/3l  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 n2;(1qr  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 W9jNUZVXE#  
lxOqs:b  
/C7svH  
JJNmpUJ  
!h/
dZ`#  
h9Z[z73_a  
规格：柱形抛物面反射镜 Zih5/I  
                         wLSjXpP8  
 有抛物面曲率的圆柱镜 "o<D;lO  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 |@q9{h7  
 曲率半径等于焦距的两倍 `E%(pjG  
3Pa3f >}-  
JchA=n  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） }{#7Z8  
:7k`R62{  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 &08Tns"  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） &0i71!Oy  
 离轴角决定了截切区域 m^Rd Iy)  
o] S`+ZcV  
规格：参数概述（12° x 46°光束） & ]%\.m  
SE-} XI\  
   Ol_/uy1r[  
'iGMn_&  
光束整形装置的光路图 |oFI[PE  
2}>go^#O/w  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 z.{HD9TD  
 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。 f0g6g!&gf  
=^"~$[
z(  
反射光束整形系统的3D视图 'H FwP\HX  
U0zW9jB  
"1\(ZKG8^Q  
$<14JEU  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 (c 1u{  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 (kdC1,E  
u`nt\OF  
详述案例 K"G(?<>~4c  
@t "~   
模拟和结果 |zg=+  
#fJwC7 4  
结果：3D系统光线扫描分析 =CGD ~p`  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 \}n !yYh(  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 pEJ#ad  
:R{x]sv  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd PlF89-  
8x`Kl(  
使用参数耦合来设置系统 ]kzv8#  
54;l*}8Hl  
<[esA9.]t  
自由参数： .$n$%|"H-  
 反射镜1后y方向的光束半径 #IbS  
 反射镜2后的光束半径 ttTI#Fr2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <e$5~Spc  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 !XkymIX~O.  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 {_?T:`  
SxnIX/]J  
EaJDz`T}  
t00\yb^vJ8  
+.XZK3  
C+ZQB)gn  
8  /5sv  
自由参数： *vRNG 3D/  
 反射镜1后y方向的光束半径 >SY2LmV'a  
 反射镜2后的光束半径 L?AM&w-cg9  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） tCd{G c  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 5B8V$ X  
A%.J%[MVz  
+e&m#d  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 CM+F7#T?n  
VyB\]EBu  
-[i40 1  
结果：使用GFT+进行光束整形 s
ZlJ/_g  
z" b/osV  
\7OJN ~&<  
tjBh$)  
9;>@"e21R  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 y|&.v<  
.rt8]
%  
"#_)G7W+e  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 94Kuy@0:+  
.5jnKU8NF  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。  '7S!6kd?  
{mCKTyN+  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ;:#?~%7>  
Td["l!-fe  
uW\@x4  
<M5{.`o  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd  ?.4y
g(  
mq|A8>g  
结果：评估光束参数 ,yB?~  
v^y}lT  
zN?$Sxttx  
 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。 i?1js! 8  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 1kz
9>;Ud6  
/8P4%[\  
^P3g9'WK  
 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。 c%xED%X9  
 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） !q7;{/QM6  
X]3l| D  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd XwKZv0ub  
CPF>^Mp#  
光束质量优化 c5T~0'n  
<wd4^Vr!2  
rzYobOKd#  
 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。 !:g>CDA  
 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）。 41 c^\1  
:>AW@SoTp  
结果：光束质量优化 O]$*EiO\  
0x3 h8fs  
@&i#S}%/  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 {|7OmslC@  
a`[?,W:q  
Kdryl  
1{\,5U&  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） VrnK)za*H  
c1)BGy
li  
*tbpFk4/  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd N>cp>&j
V  
LoV*YS
DAY  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 _4XoUE\\  
:e0R7sj  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Yq)YS]  
&8:iB {n  
]$?zT`>(F  
 这意味着参数变化是的正态 pZ@W6}  
l?yZtZ8  
VAF:Z  
Un8#f+odR  
NejsI un%  
 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。 V!kQuQJ>  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Us@ {w`T  
*'`3]!A  
npG+#z  
l b1sV  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run x
jP" 'yU  
9`gGsC  
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）
>r4Y\"/j  
2os6c te  
mAYr
<=  
sGDrMAQt  
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。 WW8L~4Zy  
gqHH Hh  
总结 2Xj-A\Oh~  
i
}$N&  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 (

F"& A?  
1.模拟 [V#&sAe  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 yw3U"/yw  
2.研究 b3 %&   
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 P7BJ?x  
3.优化 U7f&N  
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。 r/s&ee  
4.分析 &:cTo(C'  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 vCU&yXGl  
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。 }v(H E%~}  
Cn./Naq  
参考文献 Z+"E*  
[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). ^B"_b?b  
]a%\Q2[c  
进一步阅读 g)r,q&*  
9T0wdK]  
进一步阅读 0or6_y6  
 获得入门视频 Velbq  
- 介绍光路图 ~]_jKe4W  
- 介绍参数运行 pg}DC0a  
 关于案例的文档 L+0N@`nRF  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens -WHwz m  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens k
}Clq;G  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing +IOK
E\,Y  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair