[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 2j;9USZ p  
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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 |E9'ii&?B  
oMNSQMlI  
[Qqomm.[\w  
g.*DlD%%  
简述案例 Nl'@Y^8N  
6]sP"  
系统详情 .|e8v _2J  
 光源 =z!^OT6eb  
- 强象散VIS激光二极管 .%EYof  
 元件 B#G:aBCM  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Rc vp@  
- 具有高斯振幅调制的光阑 G1fC'6$3  
 探测器 =<%[P9y  
- 光线可视化（3D显示） !pZ<{|cH  
- 波前差探测 UDT\X
c  
- 场分布和相位计算 aD+4uGN  
- 光束参数（M2值，发散角） Yi j^hs@eV  
 模拟/设计 ek"Uq RY  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 iax0V  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： aka)#0l .  
 分析和优化整形光束质量 P~M[i9 V  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 f_2(`T#  
`&9iC 4P  
系统说明 v5\5:b{/  
Za,myuI+  
T#<Q[h=  
模拟和设计结果 !z1\#|>  
ob;O,&e0>  
数值探测器结果 .I?~R:(Ig  
%Gl1Qi+Po_  
;0U*N& f  
8iTB  
c'>_JlG~  
总结 DL<;qhte  
)$h!lAo  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 JOz4O  
1.模拟 {;N2 &S o  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 la}cGZ; p.  
2.评估 +n<W#O%  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 2qot(Zs1i  
3.优化 84!Hd.H  
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。 pC]XbokES  
4.分析 $A`m8?bY  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Gj?$HFa  
'b0r?A~c=  
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。 CBv0fQtL  
qW`?,N)r  
详述案例 Cv@)tb  
L6ap|u  
系统参数 kno[!A7_6  
4l7 Ny\J  
案例的内容和目标 '#X
T[\  
YS#*#!ZMn?  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ;{aGEOP'U  
Mg2e0}{  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 X
o:Mar  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 4BSqL!i(  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 2kt0Rxg  
x5CMP%}d  
模拟任务：反射光束整形设置 u>]3?ty`  
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。 tS>^x  
M\/hK2J# #  
="5D}%  
<:Mz2Rg  
y%X!l(gQ  
d]Y;rqjue  
规格：像散激光光束 ] j8
bv3  
yx|{:Li!  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 j!w{  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 haY]gmC  
/y$Fw9R;  
,<* I5:  
|iI dm  
x(cv}#}S8  
!:m.-TE  
规格：柱形抛物面反射镜 K"x_=^,Yu*  
                         NhCucSU<K  
 有抛物面曲率的圆柱镜 b _<n]P*)  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ;Y[D#Ja-  
 曲率半径等于焦距的两倍 Q3(ulgl]  
tsJR:~  
u5Vgi0}A  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） *g,ls(r\[
 
@lF?+/=$  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 j<P;:  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） bY2R/FNL=  
 离轴角决定了截切区域 _ ,s^  
vX\9#Hj  
规格：参数概述（12° x 46°光束） q~b# ml2QS  
&hO-6(^I  
   `hZh}K^  
#|ts1lD#ah  
光束整形装置的光路图 aZ4?!JW.  
ZX` \so,&,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 50QDqC-]XS  
 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。 @t~y9UfF  
hAAh  
反射光束整形系统的3D视图 mLqqo2u  
v>#Njgo  
DPjs?M<  
Zs />_w}  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。  C3{hf  
 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）。 @k&6\1/U  
9gcW;  
详述案例 &U7v=a  
I09 W=  
模拟和结果 Tj#S')s8  
~c35Y9-5  
结果：3D系统光线扫描分析 ?!P0UTe~  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 J`U]
Ux/L  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 xeSch?}  
6X*vCylI  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >)u;X  
BV B2$&eJ  
使用参数耦合来设置系统 lc[6Mpi7s[  
"-$}GUK?Z  
OUi;f_
*[r  
自由参数： l.o/H|  
 反射镜1后y方向的光束半径 Q38+`EhLA  
 反射镜2后的光束半径 P|<V0 Vs.  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7.hBc;%2u  
 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。 22ON=NN  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 +PjTT6  
e'.BTt58Y  
94+^K=lAX  
;[}OZt  
&T,|?0>~=J  
4{YA['  
?Ts]zO%%Z  
自由参数： EwzR4,r\M  
 反射镜1后y方向的光束半径 k9}8xpH  
 反射镜2后的光束半径 yMz#e0k  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） N.
JR($N$  
 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。 {Nl?  
wuH*a3(  
+ +}!Gfc?s  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 R.rch2  
-`PziGl@<  
]zol?  
结果：使用GFT+进行光束整形 ed,A'S=d  
B?z2@,  
e"t0 rScA  
EfEgY|V0  
Z<i}XCE  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ;qgo=  
5G`HJ6  
i!%bz  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ~S/
oW89  
ipwlP|UjQ5  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 /*qRbN  
,ErfTg&^  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 1,wcf,  
[Arf!W-QG  
Ab@G^SLX  
4/b.;$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \_`qon$9  
61S;M8tNv  
结果：评估光束参数 e'K~WNT  
5skN'*oG  
/TpTR-\I0  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 <gF]9%2E  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 A9.TRKb=8  
1p}H,\o  
SboHo({5VA  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 1C<cwd;9  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） f!x9%  
1B4Qj`:+0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Uj(0M;#%o+  
>5CK&6  
光束质量优化 ,.<mj !YE  
~!$"J}d}<  
U!(.i1^n  
 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。 5s[nE\oaG  
 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）。 (Mk7"FC7  
i1B!oZ3q  
结果：光束质量优化 f7x2"&?vg  
7_I83$
p'  
Ek L2nI  
 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。 %+~\I\)1  
]=~dyi  
4C*ywP  
[J,
.?'V  
 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。） zS%XmS\  
'S_i6K  
uN`/&_$c  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd nJ;^Sz17Q  
|n26[=\B  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 }X)vktE+|  
JIySe:p3  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 36=aahXd\  
j
ri"#H  
UY(T>4H+h  
 这意味着参数变化是的正态 \qG?'Iy  
<A,V
/']  
pkn^K+<n,  
{:1j>4m2  
`g]  
 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。 9+@h2"|N4*  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 T-] {gc  
WE) *~5  
n\"6ol}>E  
cw<
IL  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 27SHj9I  
Ev7.!  
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） ;u<Ah?w=Z  
^QS`H@+Z  
]X6<yzu&+l  
tl0|.Q,  
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。 ]E/0iM5  
;iKLf~a a  
总结 aw*]b.f  
9B0ON*`  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 k'o[iKlu  
1.模拟 KsKE#])&l  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 $*0-+h  
2.研究 q<:8{Y|  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 OijuOLt  
3.优化 AT&K>NG  
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。 \;&;K'   
4.分析 =|?`5!A  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ;E.]:Ia~  
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。 &s".hP6  
NH/A`Wm  
参考文献 nm5DNpHk  
[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). 9S%5Z>  
ve d]X!  
进一步阅读 ?06gu1z/  
z8X7Y >+SA  
进一步阅读 KL_/f   
 获得入门视频 ^C'S-2nGH  
- 介绍光路图 v5M4Rs&t  
- 介绍参数运行 E;a,].  
 关于案例的文档 CP7Fe{P  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens m!xv
WqY+  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens cr!8Tp;2A  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ;^ME  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair