[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） a_x$I?,  
MGN*i9CE  
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 `axNeqM  
N9
5"dNZE  
j;VYF  
I@pnZ-5  
简述案例 7M3q|7?  
jdXkU  
系统详情 .NQoqXR  
 光源 rYJt;/RtR}  
- 强象散VIS激光二极管 bsP:tFw>  
 元件 E 7;KG^  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 5NJ@mm{0  
- 具有高斯振幅调制的光阑 y?_tSnDK  
 探测器 dQ/Xs.8  
- 光线可视化（3D显示） ^%IKlj-E  
- 波前差探测 7yeZ+lD  
- 场分布和相位计算 s ~(qO|d  
- 光束参数（M2值，发散角） Pkc4=i,`A  
 模拟/设计 qW?^_
  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ~AjbF(Ad  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： jM2gu~  
 分析和优化整形光束质量 B&-;w_K  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 v@Otp  
oYlq1MB?  
系统说明 a9
FlzR  
0EPF; Xx  
;#~rd8Z52  
模拟和设计结果 ZS^EKz~+  
%do|>7MO@  
数值探测器结果 SDA +XnmH  
h,TDNR<1L  
cMC1|3
 
@B7;
  
!%T@DT=l&  
总结 $Snwx  
9
I]*T  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 gl2~6"dc  
1.模拟 l]oGhM;  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 e] **Z,Z  
2.评估 8QFY:.h&  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 hh:0m\@<  
3.优化 !6f#OAP\  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 `.L8<-]W  
4.分析 tnRq?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ;2#7"a^  
i+21tG$  
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。 #V4_.t#  
8Ln:y'K  
详述案例 vlEd=H,LT  
li/IKS)e$  
系统参数 &EA4`p  
}I05&/o.3p  
案例的内容和目标 NFmB ^@k  
1ub03$pL;  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 .!
nFy`  
qI8{JcFx:  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 h %MPppCEa  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 9.vHnMcq  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 5x=tOR/h  
ZiVTc/b  
模拟任务：反射光束整形设置 9R'rFI  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 pZjyzH{~  
M#F;eK2pf  
;<ed1%Le,  
Rqvm%sAi  
B0Xn9Tvk  
r
o^Y$;G  
规格：像散激光光束 5-=mtvA:  
96MRnj*Y[  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 G78rpp  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
]9;WM.  
G>*s+  
KY2xKco  
(nvSB}?  
j&Z:|WniK  
h r*KDT^!  
规格：柱形抛物面反射镜 LL kAA?P  
                         NrS1y"#d9  
 有抛物面曲率的圆柱镜 lFI"U^xC  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 {#>@h7  
 曲率半径等于焦距的两倍 )9L1WOGi  
P`V#Wj4\  
VpTp*[8O  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 8h;1(S)*Z  
Bv3?WW  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 lEQn2+  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） )Bd+jli|s  
 离轴角决定了截切区域 Yx XDRb\kW  
mIl^  
规格：参数概述（12° x 46°光束） )M'#l<9B  
Z#"6&kv  
   F4">go  
WmOd1  
光束整形装置的光路图 u8-)LOf(  
p]=8=pE<  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 }b6ja y  
 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。 !7^fji  
=We}&80x  
反射光束整形系统的3D视图 eT:%i"C  
(w"z
I
!  
1*;?uC\  
F}i rCi47c  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 4.CLTy3W  
 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）。 3lA<{m;V  
kTs)u\r.  
详述案例 YR~g&E#U^  
8oN4!#:  
模拟和结果 F N(&3Ull  
UI>-5,X  
结果：3D系统光线扫描分析 1`B5pcuI  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 4?72TBl]  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 dtm_~r7~  
C+-~Gmrb(7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd fs~n{z,ja%  
FW[<;$  
使用参数耦合来设置系统 \p [!@d^  
v8-F;>H  
P{rJG '  
自由参数： :vX;>SH$p  
 反射镜1后y方向的光束半径 YgdoQBQ  
 反射镜2后的光束半径 Q.M3rRh  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +z("'Cv  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 q:1 1XPP  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 u+th?KO`  
Y6^lKw  
~g>15b
3  
[9aaHf@'  
E62VuX  
R/<  /g=  
+S0A`rL  
自由参数： OkA-=M)RI:  
 反射镜1后y方向的光束半径 {TE0  
 反射镜2后的光束半径 fB;'U  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） @RbAC*Y]g  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 )k29mqa`  
)bw>)&)b`  
((;9%F:/$  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ^D oJ='&  
AVNB)K"  
]WyV~Dzz<  
结果：使用GFT+进行光束整形 "%A[%7LY  
3]xnKb|W  
G9Azd^3  
?uQ|?rk  
A(;J  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 iWQBo>x  
U|U/B  
#Yj0'bgK  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Y k~ i.p  
#8nF8J<4  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 },[S9I`p  
%k$+t  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： i&.F}bEi  
kF
D-  
>{Lfrc1  
<uv{/L b  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 6@bGh|   
0FTiTrTn  
结果：评估光束参数 TSHp.ABf  
pc-'+7Dh>  
>2$Ehw:K^  
 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。 iF61J%3-  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 |a\s
}M1  
P]dDTh~e~  
}1;Ie0l=_e  
 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。 NSb< 7_L  
 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） b;!
ilBc  
r\=p.cw<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 0b*a2_|8k  
o#0NIn"GS/  
光束质量优化 :peBQ{
bj  
&\!-d%||)  
<J
Z=K5  
 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。 qc*+;Wi+5  
 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）。 IwWo-WN7.  
Q&M(wnl5  
结果：光束质量优化 +H="5uO<  
^D vaT9s  
`4;<\VYCr  
 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。 bIWcL$}4Q  
#/1A:ig  
to:hMd1T  
$I1p"6  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） kAy.o  
*'exvY~  
X]y3~|K  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd m^]/ /j  
tQ2*kE  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Z$WT ~V  
_MMz x2}  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 5-]%D(y  
CB?.|)Xam  
g3x192f  
 这意味着参数变化是的正态 j&8~X2?*  
xYwb
bFGrG  
2M1yw "  

DlIfr6F  

CqrmdWN  
 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。 |
h6@hB\  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ^/g&Q  
70KXBu<6  
,&)XhO?  
[$H8?J  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run jv_sRV  
luC',QJB  
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） d5zzQ]|L  
GD< Afni  
CT"0"~~  
f#X`e'1  
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。
QMfYM~o  
*FG@Dts^&  
总结 F7"Ihb^l  
}^LcKV  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 88G[XkL$2  
1.模拟 UdLC]  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 -@J;FjrXmP  
2.研究 \LM'KD pP_  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 #c!(97l6o  
3.优化 BY\p?79  
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。 03rZz1  
4.分析 0U$6TDtmE  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 y8<,>  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 K"=v|a.  
IFv2S|  
参考文献 q2/Vt0aYx  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). pr;L~$JW  
gXH89n  
进一步阅读 ~:+g+Mf~[  
c\;}ov+  
进一步阅读 ~*2PmD"+:  
 获得入门视频 twO)b"0  
- 介绍光路图 _fa]2I  
- 介绍参数运行 _$=xa6YA  
 关于案例的文档 S?8q.59  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens uHf~KYL  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens h_CeGl!M}  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing |fzo$Bq  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair