[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） h xJgxM  
 WPKTX,k  
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 _O9H._E  
[:@?,?V\N  
<W') ~o}  
6'!{0 5=m  
简述案例 >I~
z7JS  
^T6!z^g1h  
系统详情 W+C_=7_  
 光源 i9U_r._qj;  
- 强象散VIS激光二极管 wNhR(M7  
 元件
0(9@GIT  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） z}2e;d 7  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ATp  6-  
 探测器 [j U  
- 光线可视化（3D显示） N4|q2Jvj6  
- 波前差探测 |ZlT>u  
- 场分布和相位计算 YKOO(?lv  
- 光束参数（M2值，发散角） ?$4R <  
 模拟/设计 '?3z6%
 
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 h^$
}1[  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： \OT)KVwO  
 分析和优化整形光束质量 'oQP:*Btl3  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 G5y  
Cy:`pYxhd  
系统说明 B00wcYM<1r  

`G0rF\[  
&dDI*v+  
模拟和设计结果 7P^
{*!  
@EOR]^?!]  
数值探测器结果 "u8o?8+q~  
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2*wO5v  
pQ^,.[[  
wW! r}I#  
总结 &
W<>^C2v  
39aCwhh7v  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6aZt4Lw2\  
1.模拟 n!eqzr{  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 <*Kh=v  
2.评估 'BdmFKy1  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 eGe[sv"k  
3.优化 w*xUuwi  
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。 cm 9oG  
4.分析 i,Wm{+H-O  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ;(0(8G  
)cqDvH  
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。 f,HzrHax  
m9<%v0r  
详述案例 }8F$& AFt  
PUjoi@]  
系统参数 n &\'Hm  
<+-Yh_D  
案例的内容和目标 <r+!hJ[s'  
]%<Q:+38  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 PVD ~W)0m*  
L_lDFF  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 x !:9c<  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {~p7*
j^0  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 lO2T/1iMTW  
lKV\1(`  
模拟任务：反射光束整形设置 `zzKD2y  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 h/X5w4  
Q%n{*py  
=2nn "YVP  
v :+8U[x  
#NN"(I  
xjK_zO*dLq  
规格：像散激光光束 2l)9Lz=;L  
;N$
0)2w  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \>Ga-gv6/  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 )zW%\s*
'  
qF{DArc  
,jbGM&.C  
Q$fRi[/L  
.
@i0U  
t8DL9RW'  
规格：柱形抛物面反射镜 oEQ{m5O9  
                         wTlK4R#  
 有抛物面曲率的圆柱镜 vcw>v={x  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 bCA2ik  
 曲率半径等于焦距的两倍 pFsCd"zv  
8Q^6ibE  
~&DB!

6*  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） b.R!2]T]i^  
g=FDm*  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 2JiA
d*WK  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） <'}b*wUB  
 离轴角决定了截切区域 b46[fa  
~_u*\]-  
规格：参数概述（12° x 46°光束） QE45!Zg  
7b&JX'`Mb  
   /ojO>Y[<   
=% q?Cr  
光束整形装置的光路图 IpWy)B>Fl3  
%@lV-(5q  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 &Y54QE".  
 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。 ]6t]m2~\  
%@}o'=[  
反射光束整形系统的3D视图 qIbg 4uE  
c=A(o
 
gDQkn {T.%  
[=F>#8=  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 lAdDu  
 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）。 cO
Sxg=~>u  
hrs#ZZ:E  
详述案例 8K\'Z  
r}/yi  
模拟和结果 f^W[;w  
J [ YtA  
结果：3D系统光线扫描分析 Gb(C#,xbK  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 .FIt.XPzv  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :+~KPn>w5  
q>_vE{UB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd (jU/Wj!q  
$; Q$W9+  
使用参数耦合来设置系统 Vbg10pV0  
$ A-+E\vQ@  
I jZ]_*^!  
自由参数： +kjzn]}f  
 反射镜1后y方向的光束半径 (k%GY< bP  
 反射镜2后的光束半径 hi!L\yi  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） :GU,EDps  
 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。 9
$Ig~W)  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 wL4ZW8_  
3
gb|x?  
U'tE^W  
aSc{Ft/O  
q=|R
89  
$o]r]#B+  
Dc08D4   
自由参数： IQ ){(Y  
 反射镜1后y方向的光束半径 v#  
 反射镜2后的光束半径 YiD-F7hf.*  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _p\629`  
 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。 <0CzB"Ap  

h}<0/  
#@9)h  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ]b3/Es+  
>A-<ZS*N  
M70c{s`w5  
结果：使用GFT+进行光束整形 FY$fV"s  
6yY.!HRkr  
m23+kj)+VY  
h@=7R  
]1m"V;vZ  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 J , V  
n5|l|#c$N  
J^ `hbP+2  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 OFA{ KZga  
-K"4rz  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 #kyl?E  
h;-a`@rO ;  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： zbN
A\.y  
g& k58{e  
|'tW=  
F!JJ6d53y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd jk$86ma!  
['z!{Ez  
结果：评估光束参数 %%>_B2vc  
U[R@x`  
Wt^|BjbB4  
 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。 QdQd(4/1  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 SyO79e*t  
Ir5WN_EaS  
RPVT*`o  
 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。 3\AM=`  
 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） UfO7+_2  
D==Mb~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 3o*FPO7?  
P-CB;\  
光束质量优化 2edBQYWd  
rz%<AF Z  
ZQ3_y $  
 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。 'Hw4j:pS  
 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）。 ;#TaZN  
@b2`R3}9R  
结果：光束质量优化 `2`fiKm  
T$KF< =  
3NIUW!gr  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 >E:<E'L  
3LDsxE=N:q  
fTqC:r|st  
[3N[i(Wlk  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） w\w(U  
:m'+tGs  
B&Y_2)v  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd \'Z<P,8~  
-Xz&}QA  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ]JE TeZ^/  
at|g%$%  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 S[,8TErz  
G^wtE90  
~ttY(wCV  
 这意味着参数变化是的正态 K>2#UzW  
>^$2f&z  
TeQNFo^_8  
TZRcd~5$  
iWLa>z|,  
 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。 ^V3v{>D>  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 }P9Ap3?  
`zpbnxOL$T  
(*\jbK
 
~u87H?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run N^w'Hw0  
KCuGu}  
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） k(%QIJH  
7v7G[n  
{g6Qv-  
{/<6v. v  
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。 x9W(cKB'S  
9\;|x  
总结 ILw
n&[A0  
kJQ#Wz|z]  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 8|Y.|\  
1.模拟 ,8MLoZ_  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 \5)htL1F  
2.研究 ? 1*m,;Z  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 1"#*)MF  
3.优化 [5$w=u"j  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 <?Wti_ /M  
4.分析 p4K.NdUH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 h*B|fy4K9U  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 s;flzp8  
~z5R{;Nbz|  
参考文献 ,m=4@ofX  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). C1EtoOv K  
HO)/dZNU  
进一步阅读 Rli:x  
'b*%ixa  
进一步阅读 ;Lm=dd@S:  
 获得入门视频 m
qff]m  
- 介绍光路图 @4$\ 5%j  
- 介绍参数运行 X|D!VX>#!  
 关于案例的文档 JwnQ0 e  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens &sXRN&Fp  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens h].~#*  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing `#-P[q<v-  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair