[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Q.uR<C6)v  
eKS:7:X  
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 v.]'%+::#  
{<~s&EPd  
0sY#MHPT&  
#d$d&W~gE  
简述案例 B##C{^5A`  
^M"HSewo  
系统详情 Dt (:u,%  
 光源 }]Qmt5'NI  
- 强象散VIS激光二极管 WMRYT"J?N]  
 元件 IcO9V<Q|  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） sCL/pb]  
- 具有高斯振幅调制的光阑 :v''"+\  
 探测器 =/M$ <+  
- 光线可视化（3D显示） 1h&)I%`?  
- 波前差探测 GF9ZL  
- 场分布和相位计算 av7q>NEZ!1  
- 光束参数（M2值，发散角） %y!  
 模拟/设计 'aLPTVM^  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 k-;.0!D^  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 
AW]("pt  
 分析和优化整形光束质量 +D6-m  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 z[_
R"+   
s}z(|IrH  
系统说明 z2"2tFK  
Fwg#d[:u  
q\-xg*'  
模拟和设计结果 <x.]OZgO  
a-SB1-5jf  
数值探测器结果 ".Tf<F  
)^V5*#69D  
~x76{.gT  
pQ4 %]Api  
pIM*c6  
总结 2{jtQlc  
+5N^TnBtBL  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S
"I#>^  
1.模拟 (UbR%A|v;  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 9F-ViDI.  
2.评估 gs^UR6 D,  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ^F;
Z%5P=  
3.优化 \1eKY^)2  
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。 sPZV>Q:zY  
4.分析 g: H[#I  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 (\[jf39e  
z|oA{VxW>  
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。 S5YDS|K  
:y<Cd[/  
详述案例 od|N-
R  
'_Hb}'sFI  
系统参数 |
hZ|+7  
eB}
sg4  
案例的内容和目标 f@,hO5h(_|  
61t-  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 -wG[>Y  
Ply2DQr  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Ugee?;]lu  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 CU} q&6h  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 6+{nw}e8  
1.ugXD  
模拟任务：反射光束整形设置 sf|_2sI  
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。 &~D.")Dz  
h}c6+@w&-  
10QNV=yK7s  
tCF0Ah  
iZVT% A+q  
7Vof7Y <  
规格：像散激光光束 } SWA|x  
"pKGUM  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]h`E4B  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 &6~ncQWu  
tjc5>T[Es8  
~ 33@H  
FSXKH{Z  
s$3eJ|  
55jY` b.  
规格：柱形抛物面反射镜 l
D+y,";  
                         XV0<pV>  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ?!Th-Cc&m  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 h&^/, G  
 曲率半径等于焦距的两倍 ?\/dfK:!  
- KoA[
UJ  
a 7mKshY(  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） RQ$o'U9
A  
dwsy(g7  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 +{l3#Y  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） |Jx2"0:M  
 离轴角决定了截切区域 _sD]Viqc  
EJSgTtp2  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ysw6hVb  
Fr Q-v]c  
   #Z3I%bkw H  
u/c~PxC  
光束整形装置的光路图 |^&2zyUj/  
pZ|nn  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 2H32wpY ,l  
 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。 1(\I9L&J   
Z+pvdu  
反射光束整形系统的3D视图  ~d<`L[  
-u
Y:2  
5|B(K @<  
?@uK
s4  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 '| Q*~Lh  
 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）。 (? #U&  
2/<WWfX'  
详述案例 eVNBhR}HS  
Ga/\kO)x_  
模拟和结果 :!it7vZ  
B0?@k  
结果：3D系统光线扫描分析 :!*;0~#  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 $hY]EB  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 -*{(#k$  
x_^OS"h-
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd SoON@h/  
n<(5B|~y  
使用参数耦合来设置系统 U\!LZ?gC  
kjYO0!C  
/)OO)B-r  
自由参数： #(wzl  
 反射镜1后y方向的光束半径 6"c!tJc7j  
 反射镜2后的光束半径 'rx,f  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） }n&JZ`8<s  
 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。 >j
~70
?  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 'H-YFB$l  
ba:du |Ec  
[AOluS  
F v^80M=z  
5r}(|86O/  
^=M(K''  
U~`^Y8UF  
自由参数： s/'hLkxI  
 反射镜1后y方向的光束半径 aRb:.\ \zc  
 反射镜2后的光束半径 )( jNd&H  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） aNf3 R;*  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。
sn-+F%
[  
(Y@|h%1W  
G5@fqh6ws  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 4Fc1'  
)ZT0zIG  
N`GwL aF  
结果：使用GFT+进行光束整形 vT<wd
#  
?ut juMdl  
rVW'KN  
MvwJ(3  
[#h!3d|?B  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 H {Wpf9_ K  
42[:s:  
@<{#v.T  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 TVh7h`Eg  
#)eJz1~  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Z8_gI[
Zn  
X{5DPhB,  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ><[.  
`-`iS?  
%l P   
bM_(`]&*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .T>}O0L"  
J]YN2{(x  
结果：评估光束参数 2gI_*fG1  
QnAf A%  
@+vTGjHA  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 gQt@xNO  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 l\y*wr`  
+>%+r  
oD2;Tdk  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 JF=ABJ=  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） l[0P*(I,  
8"rX;5 vP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 7VBw@Rh  
HcUz2Rm5XP  
光束质量优化 6242qb  
c324@o^V  
*F&&rsb  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 a<36`#N  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 i^KYZ4/%  
p&M'DMj+  
结果：光束质量优化 zUu>kJZ  
pU'sADC  
+# >%bq x  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 3k0%H]wt  
T#f@8 -XUE  
PTZ1oD  
*[YN|  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） K9Fnb6J$u  
@zq{#7%z  
ml2z  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd *s4!;2ZhsU  
Br!&Y9  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 }w8AnaC  
zPc;[uHT  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 7y7y<`)I5  
}d]8fHG  
/)|y+<E]}  
 这意味着参数变化是的正态 7rg[5hP T  
F'*&-l  
0G 1o3[F  
f}!26[_9{  
#|i{#~gxM  
 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。 o$k$  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 %Q~Lk]B?t  
#4u; `j"4=  
 8[OiG9b  
qZ}XjL  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run TZ2f-KI  
N9<eU!4>  
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） uoHhp4>^  
q Q8l8  
bb/MnhB  
r&DK> H  
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。 +rY0/T_0,  
{`Z)'G\`  
总结 lhTbgM  
X>>rvlDN  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M3kE91  
1.模拟 x6tY _lzJ  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 cf'Z#NfQ  
2.研究 A-$BB=Ot  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 eX@q'Zi  
3.优化 m`"s$\fah  
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。 P|U>(9;P,  
4.分析 7d5x4^EYE  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 RI;RE/Z  
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。 swA"_A8>u  
0%/(p?]M  
参考文献 m+"%Jd{q  
[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). STI3|}G*P  
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进一步阅读 ?
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wP9C\W;  
进一步阅读 '3VrHL@@g  
 获得入门视频 BoqW;SG$9  
- 介绍光路图 ;4IP7$3G  
- 介绍参数运行 \zwb>^  
 关于案例的文档 0a'y\f:6*  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens H<yec"  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Z5=!R$4  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Dr:}k*  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair