[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） L%hVts'  
-W6r.E$mC  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 r~<I5MZY  
y2_^lW%  
<@+>A$~0  
Cp`>dtCd  
简述案例 %.NOQ<@W  
;usv/8  
系统详情 5.]eF$x2  
 光源 ('9LUFw\  
- 强象散VIS激光二极管 q
GAbh  
 元件 q?9x0L  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） bVLuv`A/  
- 具有高斯振幅调制的光阑 J|'e.1v  
 探测器 G!%Cc0d"7  
- 光线可视化（3D显示） @,=E[c 8  
- 波前差探测 bD: yu  
- 场分布和相位计算 vX9B^W||x  
- 光束参数（M2值，发散角） ZysZS%  
 模拟/设计 s#nd:$p3  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 *E"OQsIl  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： RhL!Zz  
 分析和优化整形光束质量 c:$W5j('Z  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Vk3xWD~  
qGH s2Og  
系统说明 ;aI`4;  
!awsQ!e|  
bOY<C%;C
 
模拟和设计结果 ulqh}Uv'  
9rd7l6$R"  
数值探测器结果 #]vy`rv  
a4B#?p  
c~bTK" u  
ec$kcD!  
8/tvS8I#y  
总结 5os(.  
_@U11|  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 O<:"Irq\qr  
1.模拟 s}O9[_v  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 [r)Hm/_=|U  
2.评估 XSw!_d  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 @@]
)B#  
3.优化 vz~QR i*  
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。 gM5`UH|  
4.分析 <8'-azpJ6<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Vk#wJ-  
t9!8Bh<  
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。 |z5`h  
_a?(JzLw5  
详述案例 O< \i{4}}  
IpRdGT02  
系统参数 1Re5)Y:i  
)J['0DUrZK  
案例的内容和目标 H J8rb  
~zcHpxO^W  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 {hE\ECT-  
zx(=ArCRr  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 3Dm`8Xt  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 G!^}z(Mgi  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 sK&[sN33  
$O)fHD'  
模拟任务：反射光束整形设置 +ROwk  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 j3J\%7^i  
&* Aems{-  
[ITtg?]F  
<6djdr1:b  
k4AF .U`I  
y
\xa<!:g  
规格：像散激光光束 Kb/w+J S  
.[qm>j,  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 zj+.MG04  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 1 po.Cmx  
fBi6% #  
A:?|\r  
Q.$|TbVfds  
nKO4o8js{{  
1dl@2CVS  
规格：柱形抛物面反射镜 uE}A-\G  
                         )Gu:eYp+`  
 有抛物面曲率的圆柱镜 whoQA}X>  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 }%@q; "9`  
 曲率半径等于焦距的两倍 !97k  
k'(eQ5R3L  
e[:i`J2  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ZliJc7lss  
J'=iEI  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Ei Yj`P  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 9 :ubPqt  
 离轴角决定了截切区域 8vK$]e36  
$$tFP"pZ  
规格：参数概述（12° x 46°光束） T"tR*2HwSd  
>p[skN 
 
   z :q9~  
b":3J)Y6.  
光束整形装置的光路图 
k
-zkb2  
FS1> J%P  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ptlcG9d-  
 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。 g9XAUZe  

TGxmc37?  
反射光束整形系统的3D视图 T[<deQ  
h5do?b v!  
`/4R$E{  
\a}_=O  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ~hk;OB;  
 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）。 xaSg'8-  
b)e';M  
详述案例 icw (y(W  
EW:tb-%`  
模拟和结果 '@WpJ{]A  
G)S(a4  
结果：3D系统光线扫描分析 WCpCWtmy  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 _^(}6o  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 !SxZN dv  
W7 .Y`u[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0YApaL+jt  
] C&AU[U*  
使用参数耦合来设置系统 &W|r P(
 
9eh9@~mU"l  
^hN.FIzM  
自由参数： kYl')L6  
 反射镜1后y方向的光束半径 L4x08 e  
 反射镜2后的光束半径 i"HENJyCb  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） VGPBD-6)  
 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。 T]fBVA  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 (3[Lz+W.u  
\(.])I>)eh  
WbP wO  
e]qbh_A  
KBO{g:"  
]-D&/88``  
pp!>:%  
自由参数： OfAh?^R  
 反射镜1后y方向的光束半径 9_07?`Jr  
 反射镜2后的光束半径 s.8]qQRr  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） S7A[HG;  
 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。 i=ztWKwKf  
,];4+&|8kW  
yOQEF\  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 *GMs>"C  
</%n:<z4  
1I1Z),  
结果：使用GFT+进行光束整形 6 pQbh*  
\kQ@G  
Z ^w5x:  
/ >As9
|%  
R=/6bR57  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 QSNLo_z  
gEBwn
2  
qOi3`6LCV  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 82q_"y>6  
FX6*`  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 jcuC2t  
q7VpKfA:M  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： R'.YE;leBG  
] SErM#$*  
(ru9Ke%Dx  
2S{IZ]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %mv9+WJN.  
(_Ld^^|  
结果：评估光束参数 @uWPo2  
u3Jsu=Nx-  
` s}v6  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 -A\J:2a|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 >UQ`@GdafR  
~5f|L(ODX  
| gou#zi  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 5nhc|E)C  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） B3Yj  
g3i !>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd jgb>:]:  
OcB
n1k.  
光束质量优化 ~ 3HI;  
sT^^#$ub  
wJb\Q  
 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。 b,7@)sZ*  
 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）。 ZUW~ZZ7Z:  
jq4{UW'  
结果：光束质量优化 9bDxml1  
h2Pvj37  
dB^')-wA  
 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。 ]('isq,P  
r}gp{Pf7e  
ON$^_l/c  
n-cz xq%n  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） #Moju  
Z~.3)6,z  
CpAdE m{  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd #\&jM -.-  
)eFq0+6*)  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 "ct_EPr`  
D\:~G}M  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 TT(dCHft  
w:}RS.AK  
d45JT?qg&  
 这意味着参数变化是的正态 <3!jra,h  
^[d|^fRH Q  
C?FUc cI  
Ef;OrE""  
|7jUf$Q\p  
 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。 !2('Cq_^  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 +^c;4-X 0  
YdgaZJs  
XK)qDg  
&oWdBna"_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run |WiK*  
HDyus5g  
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） ~CQYF,[Th  
H1,;Xrm  
K"cN`Kj<*-  
B6gSt3w.  
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。 r lalr+Rf  
[Ng#/QXk{  
总结 _RFTm.9&  
pZ/aZg1Ld  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 e+z_Rj%Y;I  
1.模拟 F3\'WQh  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 6'e}!O  
2.研究 /\-qz$  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 fjUyx:  
3.优化 K h}Oiw  
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。 i;1aobG  
4.分析 %Ot22a  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 s|U=_,.  
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。 TR8
<=  
1/Pou)D  
参考文献 w.gI0
`  
[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). s@sr.'yU  
qV$\.T>x  
进一步阅读 j*m7&wOE  
K.cMuh  
进一步阅读 (u81
p  
 获得入门视频 We#u-#k_O  
- 介绍光路图 ZZf-c5g  
- 介绍参数运行 @N`) Z3P+  
 关于案例的文档 swvn*xr  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens %aU4d e^  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ">}l8MA  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing (gQ^jmZPG  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair