[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） m 81\cg  
B[y1RI|9  
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 B{
zIW'Ld  
z?V> ST  
ay4|N!ExO  
 f0:)  
简述案例 #Xsby  
G|H\(3hHLZ  
系统详情 k 9s3@S  
 光源 K)^.96{/@  
- 强象散VIS激光二极管 3aW4Gs<g  
 元件 6g$+))g  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） }~\J7R'  
- 具有高斯振幅调制的光阑 0
E++  
 探测器 i++ F&r[  
- 光线可视化（3D显示） aIkxN&  
- 波前差探测 # VR}6Jv  
- 场分布和相位计算 ^QXUiXzl  
- 光束参数（M2值，发散角） cbS8~Xmj  
 模拟/设计 D b(a;o   
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 'zRd?Z>%  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： igz&7U8gg  
 分析和优化整形光束质量 :%s9<g;-h_  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 viKN:n! Ev  
<$ '#@jW  
系统说明 bp5hS/A^1w  
.i`+}@iA  
t$s)S>  
模拟和设计结果 x37r{$2  
J&h 3,  
数值探测器结果 $k}+,tHtJO  
R(x%<I  
GY0<\-  
f61
~%@fE  
6I 2`m(5  
总结 48w3gye  
,![C8il,  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 a!wPBJJ  
1.模拟 WqwD"WX+w  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ,P5HR+h  
2.评估 Cvi-4   
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 R:OoQ^c  
3.优化 8CMI\yk  
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。 wwE9|'Ok  
4.分析 gNe{P~ $=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 !'n+0  
l1!i3m'x  
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。 }p."7(  
#16)7  
详述案例 {"s9A&  
u;y1leG  
系统参数 TS@EE&Wq  
D*_ F@}=  
案例的内容和目标 vO <;Gnh~  
bQ_i&t\yzB  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 *:)#'cenI  
gTiDV{Ip  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 qAkx52v6  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 A qE,zW  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 r+\it&cW+  
4dl?US[-  
模拟任务：反射光束整形设置 R"K{@8b
  
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。 33-=Z9|r  
DR^mT$  
(S1$g ~t;  
i_f"?X;D  
)FE'#\  
)HR'FlxOd  
规格：像散激光光束 <K|_M)/9  
mrk Q20D  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 i^="*t\i  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 b-%7@j  
k' pu%nWN  
"'s`?  
>q4nQ/eP  
vy6NH5Q  
(\#j3Y)r  
规格：柱形抛物面反射镜 (w@|:0t^y[  
                         M[HPHNsA&  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ?=f\oH$  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 \-
`L}$  
 曲率半径等于焦距的两倍 QMHeU>  
9sJbz=o]r  
6 3Kec  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） pO=bcs8Z  
C[<&%=  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 *Cj]j-  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Y"G$^3% (]  
 离轴角决定了截切区域 A~O 'l&KB  
>TwOL  
规格：参数概述（12° x 46°光束） K)@]vw/\  
\ssuO  
   2-UZ|y
 
G8f7N;D  
光束整形装置的光路图 ?Q:se  
dID]{  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
`hI1  
 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。 jAN(r>zVL  
xLq+njH E  
反射光束整形系统的3D视图 dax|4R  
~d){7OG  
(|h<{ -L  
32YE%  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 F_\\n#bv  
 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）。 ?AYI   
t[)z/[m  
详述案例 ]^ZC^z;H  
z[IG+2  
模拟和结果 /O/u5P{J  
;,@3bu>r  
结果：3D系统光线扫描分析 9CUMqaY2  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 rS)7D  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 *!'00fv  
+~8/7V22  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >Py;6K  
umI#P,%[  
使用参数耦合来设置系统 ,7>_Lp_v  
g)u2  

o NJ/AT  
自由参数： lT1*e(I  
 反射镜1后y方向的光束半径 HgduH:
:\#  
 反射镜2后的光束半径 :t^=~xO9  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Ho\K %#u
 
 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。 LEHlfB#z`@  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 |;9OvR> A  
$N:m 9R  
5wP(/?sRy  
2*%0m^#^6  
in(n[K  
khc5h^0  
/0Zwgxt4?7  
自由参数： 4>$>XL1  
 反射镜1后y方向的光束半径 M/Bn^A8@  
 反射镜2后的光束半径 cf@:rHB}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） }*IX3
4  
 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。 ;)cSdA9  
#^xiv/sV  
Ca?pK_Y  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 3Mr)oM<Q  
;y4 "wBX  
O:p~L`o>>  
结果：使用GFT+进行光束整形 H)t8d_^|j  
4Q_2GiF_ ?  
]5rEwPB  
Z~muQ c?  
9.SPxd~  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 %w'@:~0  
r|?2@VE  
&eK8v]|"W  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
5x4(5c5^  
;h0?o*i_  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ,f}s!>j  
.CwMxuW  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 7}TjOWC  
 yZdM4`  
 1=W>zC  
k@KX=mG<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8~}Ti*Urc  
%|l*=v  
结果：评估光束参数 oNl_r:G
 
Z</$~ T  
_g$6vx&  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 &d9";V"E  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 IjJ3CJ<  
AR/`]"'  
gd/W8*NFR  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 nJA\P1@m  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） cp[4$lu  
\CU.'|X  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 9dSKlB5J  
Q4_j`q  
光束质量优化 v3.JG]zLpP  
OC"W=[Myl  
0'VwObq  
 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。 OW1[Y-o[  
 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）。 9J0m  
'1/uf;OXIH  
结果：光束质量优化 Be0P[v  
Jr\4x7a;`~  
 A5Y z|  
 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。 8Qek![3^  
,58D=EgFy  
.P-@ !Q5*  

95?$O~I  
 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。） tb{l(up/a  
b~%(5r.  
zcP_-q]1  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd }|AUV  
H-^>Co_  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 QTtcGU  
W}a&L  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 nuhKM.a{  
0.t;i4  
W@#)8];>  
 这意味着参数变化是的正态 z.P) :Er  
I:bi8D6  
~Ci|G3BW  
iHWl%]7sN  
D{ @x  
 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。 k+&LOb7  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 tE=
P9 \4  
5?%(j!p5  
V= !!;KR0  
|HhUU1!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ZU7,=B=
 
I>b!4?h  
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） ?_}[@x  
Rb|\!  
C!%BW%"R  
DY0G;L3  
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。 7p@qzE  
j01#Wq_\fk  
总结 r;I3N+  
$iupzVrro  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 *|a_(bQ4@  
1.模拟 Mm+_>   
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 .)ZK42Qd  
2.研究 $IUT5Gia`  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 .E
"hsGH9h  
3.优化 pDrM8)r
 
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。 YeptYW@xfw  
4.分析 Mw*R~OX  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 >z.o?F  
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。 D CcM~  
)&;?|X+p  
参考文献 d^!)',`  
[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). <p-R{}8  
s+h`,gg9  
进一步阅读 _<yJQ|[z~i  
g75)&U`>}  
进一步阅读 M(0:>G  
 获得入门视频 OB>Pk_eQK  
- 介绍光路图 |!aMj8i2  
- 介绍参数运行 g3Xq@RAJc  
 关于案例的文档 v<HhB.t.  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Vf`1'GY  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens `Q' 0
l},  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing /{."*jK  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair