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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) yE&WGpT  
    #7Fdmnu`  
    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 4%B0H>  
    s5/u>d  
    LwlO)|E  
    9r. h^  
    简述案例
    *z'v  
    TMsc5E  
    系统详情 O llS  
    光源 ?6W v["%  
    - 强象散VIS激光二极管 3+l8VX&u!  
     元件 o:'@|(&<  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 6:~<L!`&  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 htT9Hrx  
     探测器 enx+,[  
    - 光线可视化(3D显示) BG6.,'~7o  
    - 波前差探测 ;hPVe _/  
    - 场分布和相位计算 Q45gC28x  
    - 光束参数(M2值,发散角) d"yJ0F  
     模拟/设计 We++DWp  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 /Xq|S O  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): k8\ KCKql  
     分析和优化整形光束质量 \QQWhwE  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 {qGXv@ I6  
    {Q>4zepN!  
    系统说明 &zd@cr1  
    LF `]=.Q  
    ,SPgop'  
    模拟和设计结果 4X",:B}  
    ,RDWx  
    cNT !}8h^  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 Yecdw'BW?  
    kL8 E#  
    W[k rq_c-  
    KwV!smi2  
    [MQ* =*  
    总结 skXzck  
    nGwon8&]]  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 g_n_Qlo  
    1.模拟 daP_Kz/2K  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 r*8a!jm?  
    2.评估 -T;^T1  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ZXL'R |?  
    3.优化 ~ES%=if~Y  
    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。 ~(^pGL3<  
    4.分析 x_I*6?  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ?&zi{N  
    !Y r9N4  
    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。 ,\X ! :y~  
    ;~L,Aqn7  
    详述案例 SUIJ{!F/  
    (J.Z+s$:2  
    系统参数 I^( pZ9  
    %'i_iF8.  
    案例的内容和目标 ?%su?L  
    JIw?]xa*  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 t2vm&jk  
    - AgD  
    lw gwdB  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 < `"  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 JFO,Q -y\  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 o?m1  
    boCi*]  
    模拟任务:反射光束整形设置 l'_]0%o]  
    引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 _aOs8#(X  
    0,)2\`99#k  
    {]8|\CcY?  
    LQr!0p.i"  
    vdvnwzp!l  
    6{^\7`  
    规格:像散激光光束 Rc{R^5B  
    (0#$%US\  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 xRgdU+,Mj  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 =bja\r{  
    C P&u  
    r<n:o7  
    13Z,;YW  
    $V`1<>4  
    UP)< (3YA  
    规格:柱形抛物面反射镜
    gsEcvkj*  
                             t bR  
     有抛物面曲率的圆柱镜 gl`J(  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 `Rfe*oAf  
     曲率半径等于焦距的两倍 =oh%-Sh:  
    ?)(/SZC0  
    dL+yd0 b*  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) D6?h 6`J  
    7bO>[RQB  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 +:ms`Sr>  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) e~(e&4pb  
     离轴角决定了截切区域 j0~c2  
    nXhP ME  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) /%,aX [  
    z a_0-G%C2  
       1,OkuyXy!>  
    {.e+?V2>_  
    光束整形装置的光路图 x`C"Z7t  
    ?0KIM* .  
    KGc.YUoE  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 6QT&{|q=  
     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。 wN%lc3[/z2  
    3o>JJJ=]  
    反射光束整形系统的3D视图 z?Z"*z  
    2!W[ff@~7  
    rA?< \*  
    pT~3< ,  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 O"o|8 l}M/  
     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)。 ,\&r\!=  
     03zt^<  
    详述案例 j8 2w 3  
    ',]Aj!q  
    模拟和结果 +'93%/:  
    :XAyMK7   
    结果:3D系统光线扫描分析 ( [a$Z2m  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 T@P~A)>yo  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 os;9 4yd )  
    XHKLl?-  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ^pew'p HQ  
    a[j]fv*6  
    使用参数耦合来设置系统 wxJ"{(;  
    BT0;I  
    bxL'k/Y$  
    自由参数: rc>}3?o  
     反射镜1后y方向的光束半径 T1Z*>(M  
     反射镜2后的光束半径 A@d 2Ukv  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) #pW!(tfN^a  
     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。 $K\e Pfk  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 !h}Vz  
    N|@ tP:j  
    HL$7Ou  
    IS[q'Cv*  
    "mU2^4q  
    *'M+oi  
    Mkt_pr  
    自由参数: &jg>X+;  
     反射镜1后y方向的光束半径 x+'Ea.^  
     反射镜2后的光束半径 gwB0/$!4"  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ?/,V{!UTtq  
     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。 ]JmE(Y1(1  
    2t?>0)*m  
    :]8A;`G}  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 B 'd@ms  
    (&V*~OR  
    &K=) YpT  
    结果:使用GFT+进行光束整形 +>u 8r&Jw.  
    }+u<w{-7/  
    5yV>-XT+-  
    ,%V%g!6{  
    JH2-'  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 :Us+u-~  
    dIQ3snG  
    JV !F<  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 8r0;054  
    wYv++< z  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 brqmi<*9"[  
    8f'r_,"  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ~Hx>yn94e  
    K\lu;   
    {p(6bsn_#]  
    $c+:dO|Fb  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd H:16aaMn(  
    J/Ch /Sa  
    结果:评估光束参数 o6 :]Hvqjr  
    mGw*6kOIS  
     [cfXcl  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 zItGoJu  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 A- #c1KU!  
    i>pUTT _[  
    '|&?$g(\h  
     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。 `@<)#9'A  
     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) Z?eedVV@  
    2>^jMln  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 3X`N~_+  
    ORIXcj]  
    光束质量优化 mw\Pv|  
    H" pwIiC  
    S=`#X,Wo  
     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。 =MmAnjo  
     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)。
    qcBamf  
    @@6c{r^P  
    结果:光束质量优化 ;![rwra  
    /jn0Xh  
    0T:U(5Y9  
     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。 %^;rYn3  
    $ 3.Y2&$T  
    90a!_8o  
    XK@Ct eP"  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) QM=Y}   
    6{[ uCxxl  
    D [K!xq  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd [T2!,D.  
    &^F'ME  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 %/%TR@/  
    poS=8mN8;  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 Q\*zF,ek  
    ])Z p|?Y  
    C ?aa)H  
     这意味着参数变化是的正态 %u*HNo  
    I=4G+h5p  
    wF{M"$am  
    vF'Y; M  
    3\a VZx!  
     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。  e3%dNa  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 &MJ`rj[%  
    8AmB0W> e  
    :}Z Y*ind  
    -y8> c0u  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run %ERR^  
    '17V7A/t  
    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) C9nCSbGMY{  
    ME'LZ"VT  
    <d$t*vnq  
    (6X{ &  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 LTnbBh*mc  
    ~Da-|FKa>  
    总结 *\$ko)x?c  
    {6HgKI  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 J''lOj(@  
    1.模拟 9mB] \{^  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 v=x)]<E" _  
    2.研究 LCok4N$o  
    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|OQYG  
    3.优化 rh6 e  
    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。 ,? V YrL  
    4.分析 k~=P0";  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 M~g@y$  
    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。 !r9~K^EI  
    X9ec*x  
    参考文献 sJm v{wM  
    [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). WM GiV  
    r ['zp=9  
    进一步阅读 5)p!}hWs  
    7E R!>l+  
    进一步阅读 WWv.kglz  
     获得入门视频 ,~XAV ;+  
    - 介绍光路图 oX?~  
    - 介绍参数运行 OQ4rJ#b  
     关于案例的文档 X'usd$[ .  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens /cx Ei6I-  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens {hx=6"@  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing k(_^Lq f-  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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