[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） .T\jEH8E  
_O$7*k  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 i)1013b  
Zk+c9,q  
C"*8bVx]$n  
+a'["Gjq;  
简述案例 WJ&a9]&C  
PR2;+i3  
系统详情 PKg>|]Rf.  
 光源 v.!e1ke8D*  
- 强象散VIS激光二极管 yEPkF0?  
 元件 ]kir@NMv>  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） @c-| Sl  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ]Vm:iF#5P  
 探测器 "nA~/t=  
- 光线可视化（3D显示） gWGh:.
*T  
- 波前差探测 F@ld#O  
- 场分布和相位计算 CQns:.`$`  
- 光束参数（M2值，发散角） Koi-b  
 模拟/设计 s
= bP@[Gj  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 %0_}usrsk  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ?3yrX_Qm{  
 分析和优化整形光束质量 vUR@P -  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 -%ftPfm  
c\.7Z=D  
系统说明 .FeVbZW  
7?p>v34A  
/=[hRn@)A  
模拟和设计结果 .L8g(F(=:  
`9&~fWu  
数值探测器结果 [;pL15-}4  
^u+#x2$Mg  
9CFh'>}$  
zF@/8#  
/_!Ed]  
总结 {lbNYjknS  
y1bo28  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !%(
PN3*  
1.模拟 Lk]W?  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -J;;6aA  
2.评估 P{2j31u`  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ;$g?W"  
3.优化
$Ned1@%[  
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。 Y-.aSc53  
4.分析 {.r #j|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 
3XIL; 5  
Gx;-1  
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。 srryVq
gS  
]2rCn};  
详述案例 v<vaPvW  
jP\5bg
-}  
系统参数 nk"nSXm3SR  
>9,LN;Ic
 
案例的内容和目标 ke2}@|?t  
MogIQ  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 l}~9xa}:D|  
gTk*v0WBm  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 :_:o%  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 %(B6eiA  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 y]}N[l  
KidbcZ  
模拟任务：反射光束整形设置 vlo!D9zsV3  
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。 Ga\kvMtr  
6o]j@o8V  
(!%w  
.>NPgdI  
TTJj=KPA  
^L-; S  
规格：像散激光光束 M%2w[<-8c  
fv:&?gc  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ?
:3rVfO  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 87rHW@\](  
<f;Xs(  
gT2k}5d}p  
c@lH  
r85j/YK  
LZ8xh  
规格：柱形抛物面反射镜 a6'T]DW0W  
                         Bp/25jy  
 有抛物面曲率的圆柱镜 OBf$0  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 
}'4aW_ta  
 曲率半径等于焦距的两倍 3-gy)5.xe  
vvP]tRZ  
)PvB^n  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） DI=?{A  
> QK"r7f/  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 }LryRcrD-n  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） lL*"N|Y  
 离轴角决定了截切区域 xzBUm  
Hd{@e6S  
规格：参数概述（12° x 46°光束） s} oD?h:T3  
2Zr,@LC  
   T&->xef=  
*rmM2{6  
光束整形装置的光路图 Svm'ds7>  
V L;<+C~  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 J#?z/3v(  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 zE?@_p1gei  
a7"Aq:IjU  
反射光束整形系统的3D视图 8UXtIuQ  
'6GW.;  
RU% 4~WC  
2I{kLN1TY  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 |D1TSv}rZD  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 Ly]J-BTe  
kNoS% ?1,  
详述案例 %jxeh.B3B  
=$#=w?~%  
模拟和结果 F_~A8y  
2 @t?@,c  
结果：3D系统光线扫描分析
hx8.  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 @j=rSS  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :i* =s}cv  
5-POYug  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd nTr{D&JS  
z|O3pQn~  
使用参数耦合来设置系统 CwwZ~2  
7|(o=+Bt  
"/
d  
自由参数： h/..cVD,K  
 反射镜1后y方向的光束半径 H.&"
~eH  
 反射镜2后的光束半径 U|+c&TY
 
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） oq2-)F2/  
 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。 ^a=V.  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 YA~`R~9d  
VCa`|S?2  
Z*YS7 ~  
9ZI^R/*Kc  
\ `|  
U$LI~XZM  
4f'!,Q ;  
自由参数： ~xf uq{L;  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]BfJ~+ N  
 反射镜2后的光束半径 8JU{]Z!G<;  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _eUd RL>  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 a!\^O).pA  
S>y}|MG  
z4JhLef%  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 X-`PF  
A}_0iwG  
ow*^z78M{  
结果：使用GFT+进行光束整形 - @tL]]  
v;d3uunqv  
G'mg-{  
VMw[M^  
^tI4FQ>Y  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 \6;b.&%w2  
UVgDm&FF  
s,-}}6WO  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 >Zh^,T={G  
:"`1}Q  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 A\|:hzu+  
Nh1, w  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ]*<!|;q  
"s7}eWM*a  
rN`-ak  
eOJ_L]y-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd h`4!Qv  
M\r=i>(cu  
结果：评估光束参数 (>`S{L C>s  
[#+klP$  
m.c2y6<=  
 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。 1aoKf F(  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 q0(-"}2l  
C^*}*hYk$  
c!]yT0v&s  
 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\Mf4lh#  
 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） C5=m~  
L\\'n )  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd S y^et  
Nl9
}*3r  
光束质量优化 pf#~|n#t  
I?CfdI  
Aq_?8Cd  
 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。 bDnT><eH  
 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）。 pXK-,7-  
'-_tF3x  
结果：光束质量优化 @[~j|YH}  
3q.HZfN~  
RU\MT'E>(  
 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。 ]wEFm;N  
Gg6<4T1  
vue=K  
LT]YYn($  
 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。） x{1S!A^  
6{H@VF<QY!  
A4Tjfc,rx9  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd pI}6AAs}Z  
Z=^~]Mfa  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 LNF|mS\+D  
lD,;xuQ  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 7kmd.<  
.ViOf){U\  
\!zM4ppr  
 这意味着参数变化是的正态 3mT6HGSKR  
2]+f<Z[/  
d#:7V%]dp  
HlXEU$e  
3Cg0^~?6-  
 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。 ~!"z`&
  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 I04c7cDp  
JF(&+\i<p  

< [q{0,  
h{?cs%l

Z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run =|IY[2^  
sg4TX?I   
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） !0Eo9bU%@  
%( #kJZ  
isor%R!  
=&y6mQ  
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,nXc  
b.QL\$a &  
总结 [cw>; \J  
'h`)6{  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 h8:5[;e  
1.模拟 U2*kuP+n  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 C |P(,Xp  
2.研究 @@#(<[S\B  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 z;PF%F  
3.优化 DUvF  
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。 6kdcFcV-]  
4.分析 5k`Df/  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ZW`wA2R0   
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。 Z6_fI  
M+Eg{^ q`  
参考文献 H*h4D+Kxv  
[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). '%KaAi$  
@P6*4W  
进一步阅读 I0}G, q  
j&Y{ CFuZ  
进一步阅读 h]p$r`i7  
 获得入门视频 {@ Z%6%'9  
- 介绍光路图 UUqA^yJ  
- 介绍参数运行 6}?5Oy_XF2  
 关于案例的文档 +lw*/\
7  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (dAE  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens DQ%(X&k  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing DcmRvi)&6  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair