[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Gxtqzr*  
tWBfIHiha  
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 k<bA\5K  
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6c[&[L%  
V30Om3C  
简述案例 %OI4}!z@l  
*%[L @WF  
系统详情 S< TUZ /;  
 光源 V^v?;f?  
- 强象散VIS激光二极管 oS2L"#  
 元件 Ne 2tfiI`  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） =vd9mb-  
- 具有高斯振幅调制的光阑 e`N/3q7  
 探测器 fFr[ &\[  
- 光线可视化（3D显示） 12D>~#J  
- 波前差探测 uBr^TM$k&  
- 场分布和相位计算 jrF#DDH?I  
- 光束参数（M2值，发散角） J)*7JX  
 模拟/设计 m2i'$
^a#  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 O]|T !  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： W%6Y?pf)z  
 分析和优化整形光束质量 l r16*2.  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 z 1~2w:  
GKT^rc-YT-  
系统说明 C0RnBu  
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模拟和设计结果 []\=(Uc;  
I1J/de,u  
数值探测器结果 \$Jz26 -n  
2^V/>|W>w  
)2&U Rt.  
y3^>a5z!x  
x_X%|f  
总结 km 0LLYG  
w~}*MsB  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 `dGcjLsIz  
1.模拟 5s /fBS  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ::&hfHR*P  
2.评估 h)~i?bq!/  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 (^U 8wit/  
3.优化 @v:p)|Ne;  
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。 zfm-vU  
4.分析 hFLLg|@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 A;ti$jy  
)<>1Q{j@  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 qsUob  
lk(q>dvK  
详述案例 1(nK|  
oiKY2.yW  
系统参数 uhf% zG  
fG`<L;wi  
案例的内容和目标 %]KOxaf_z  
It@1!_tO2  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 x&['g*[L0  
;oT!\$Mu  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 (Y[q2b  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 DV6B_A{kI  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 asLvJ{d8s  
/Y7YyjMi  
模拟任务：反射光束整形设置 C8oAl3d+h  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 5@3hb]J  
*D_pFS^l  
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BQ /0z^A  
aN,.pLe;  
规格：像散激光光束 Q=}U  
`;\<Fr  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 `yXJaTbo  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 vf&Sk
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ymr#OP$<S  
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^j)0&}fB  
aEJds}eE6)  
sDF5  
规格：柱形抛物面反射镜 !#'
y#  
                         ~V:@4P  
 有抛物面曲率的圆柱镜 u@ psVt   
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 c1CUG1i  
 曲率半径等于焦距的两倍 /^jV-Z`  

k>aWI  
?yq $ >Qba  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） "n Zhuk  
&|j^?ro6  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 rF>7 >wq  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 9yA? 82)E  
 离轴角决定了截切区域 8t$w/#'@  
+. ` I  
规格：参数概述（12° x 46°光束） >i:hdcxe  
q n2X._`  
   )K"7=TvY  

sm1(I7y  
光束整形装置的光路图 J-3%.fX,  
}@'Zt6+tS  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Fb:Z.  
 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。 <:gNx%R  
Kz`g Q|S  
反射光束整形系统的3D视图 =yy7P[D  
}0(.HMiGj  
hiM nU  
N-Jp; D  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 }-8ZSWog6f  
 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）。 Z8yt8O  
^<
"^}Jh.M  
详述案例 ',g'Tl^E  
%=t8   
模拟和结果 }1)tALA  
DGY?4r7>y  
结果：3D系统光线扫描分析 ra[*E4P9L*  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 }wkZ\q[  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 XzH"dDAVE  
kTQvMa-X9D  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd x6BO%1  
( ;(DI^Un8  
使用参数耦合来设置系统 9R6]OL)p  
F4xXJ"vc  
$Z2Y%z6y  
自由参数： y))) {X  
 反射镜1后y方向的光束半径 X":T>)J-  
 反射镜2后的光束半径 q0a8=o"|  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） $QB~ x{v@n  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ]@rt/ eX  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 d2!A32m  
`Z
m-F  
E#L"*vh  
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x  
[Jjb<6[o  
HLYTt)f}  
+ yF._Ie=  
自由参数： @VVDN  
 反射镜1后y方向的光束半径 D')m8:>  
 反射镜2后的光束半径 (> {CwtH][  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） #,4CeD|(D,  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 F}C.F  
2VgDM6h  
X4bB  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 K\2UwX  
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S.#IC lV  
结果：使用GFT+进行光束整形 6S2u%-]  
wj$J}F  
42Vz6 k:  
*NEA(9  
AdWLab;  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 pFZ2(b&  
a1 I
"Sh  
JTw3uM, e  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 .-[d6Pn
w  
Gd]!D~[1  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 "{&?t}rj+  
ycr\vn t  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 1$]hyC/f  
s?JNc4q  

@o g&l;  
A{3?G-]*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd fF"\$Ny  
bc{ {a  
结果：评估光束参数 ;Az9p h  
_eE hIQ9  
kp4(_T7R  
 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。 \U0p?wdr:  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 zh<[/'l  
sUki|lP  
b\dzB\,&  
 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。 *&m{)cTs  
 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） heAbxs  
<H,q( :pM  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd )G a%Eg9  
"|\G[xLOaW  
光束质量优化 c5($*tTT  
me7?  
%DKQ  
 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。 #:Tb(R   
 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）。 '}Tf9L%  
}aPx28:/  
结果：光束质量优化 o!";&\,Ip  
4]VoIUIuN  
&6yh4-(7  
 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。 K)z!e;r  
?0U.1N  
z&
3in  
78iu<L+If  
 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。） h{R>L s  
$Ka-ZPy<#  
+8rGStv  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd +;H-0Q5  
RoG `U  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Gs2|#*6  
u+&t"B  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 6eUM[C.  
xUiSAKrcM  
sO5~!W>Z  
 这意味着参数变化是的正态 OMi_')J  
KKPQ[3g  
*kliI]BF]  
UX?EOrfJ  
7kQZ$sLc  
 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。 x9,X0JO  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 $rb #k{  
jO|D#nC  
[SFX;v!9  
^9{mjy0Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run <3[,bTIk  
ot"3 3I  
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） ifA)Ppt<`  
*gq~~(jH  

WSt&?+Y  
V<ZohB?y  
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。 q&j4PR{  
Qh4<HQ<9  
总结 <"93  
f.Uvf^T}2  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 r+4<Lon~  
1.模拟 G(g.~|=EZ  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 QoGvjf3z  
2.研究 &!@7+'])  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 O}Ipg[h  
3.优化 cv .R`)l  
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。 +@U}gk;#c  
4.分析 B4hT(;
k  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 &YSjwRr  
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。 [>rX/a%c  
[&tN(K
9*  
参考文献 Kx-s95t  
[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). i]>)'i  
%^5|3l3y  
进一步阅读 zA~aiX  
-<Wv7FNpD  
进一步阅读 0[f8Gb3  
 获得入门视频 lURL;h  
- 介绍光路图 0Gq}x;8H&  
- 介绍参数运行 \:'|4D]'I  
 关于案例的文档 )I
Fzal}o  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 4Ou|4WjnL  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens yF~iVt  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing sX8?U,u  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair