[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） matm>3n  
gGBRfq>  
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 (a-Lx2T  
v,ni9DIu  
-b8SaLak  
FV aC8Kw  
简述案例 qTwl\dcncC  
+t&)Z  
系统详情 qvGmJN0  
 光源 9,\AAISi  
- 强象散VIS激光二极管
t]]Ig  
 元件 |JWYsqJ0U  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） )dEcKH<#  
- 具有高斯振幅调制的光阑 0c!^=(  
 探测器 aj .7t=^  
- 光线可视化（3D显示） 4^nHq 4_  
- 波前差探测 Iw( wT_  
- 场分布和相位计算 9kqR-T|Q  
- 光束参数（M2值，发散角） oTXIs4+G  
 模拟/设计 hgE:2@  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 PecZuv  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ^4Xsdh5  
 分析和优化整形光束质量 _Ye.29  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 7P*\|Sxk%  
7^M$u\a)U  
系统说明 f O+lD  
'/0e!x/8  
}|[0FP]v  
模拟和设计结果 h<$%y(lP  
F]>
+pU  
数值探测器结果 <n~.X<6V'  
4tUt"N  
S*J\YcqSC  
8Exky^OT|  
q{b-2k  
总结 3W#E$^G_v  
4t/?b  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 W7_m,{q  
1.模拟 Q2woCxB  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 J>;r(j  
2.评估 <Uf`'X\e6  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Pw7uxN`  
3.优化 ;YMg4Cs  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 8==M{M/eM  
4.分析 >py[g
0J  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 k2,`W2]^E  
H`URJ8k$Q  
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。 FyPG5-  
UhkL=+PD  
详述案例 ~[
og\QZX  
aE3eYl9u  
系统参数 o&z[d  
(RG "2I3  
案例的内容和目标 -m>3@"q  
U,6sR  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 i^A=nsD`  
'!?t+L%gO  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 V,'_BUl+x  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 }oSgx  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 g&EK^q  
@)[8m8paV  
模拟任务：反射光束整形设置 Q{'4,J-w  
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。 ~%M*@fm  
(aSuxl.Dq  
&N6[*7  
Dr=$}Y  
wpi$-i`  
_FcTY5."S  
规格：像散激光光束 (3!6nQj-t  
|_7k*:#q:  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 d]^m^
 
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Iu`S0#+  
JZ5";*,  
G{>PYLxOb  
d8+@K&
z|  
N81M9#,["~  
y0&vsoT  
规格：柱形抛物面反射镜 mTUoFXX[  
                         Buh}+n2]5  
 有抛物面曲率的圆柱镜  &.s.g\  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 r7R.dD/.  
 曲率半径等于焦距的两倍 -KfK~P3PF  
]o0]i<:  
zb"4_L@m2  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） G%>[7]H  
}' Y)"8AIA  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Gr/}&+S  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） `zw%  
 离轴角决定了截切区域 ZnzO
]  

g)TZ/,NQ{  
规格：参数概述（12° x 46°光束） o~\.jQQxa  
='4)E6ea?  
   +Ss3Ph  
~t
RGw^<9  
光束整形装置的光路图 "p
|.[d  
|j9aTv[`  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 "M /Cl|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。 5p:BHw;%;  
2fu<s^9dh  
反射光束整形系统的3D视图 HQ7g0:-^a>  
!!V1#?0jw  
r<:d+5"  
yTK3eK  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Aaq%'07ihW  
 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）。 i\b^}m8c.N  
WG\ _eRj  
详述案例 ">3t+A  
}79jyS-e  
模拟和结果 _#&oQFdYR  
S$$SLy:P  
结果：3D系统光线扫描分析 B&B:P  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。
YVgH[-`,  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 2PRiiL@  
.Tq8Qdl  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /^k%sG@?  
6_
u!{  
使用参数耦合来设置系统 39 zfbxX  
6jgP/~hP>N  
<Lxp t  
自由参数： )`'a1y|  
 反射镜1后y方向的光束半径 9*K-d'm  
 反射镜2后的光束半径 ^--R#$X  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） '\op$t/  
 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。 +75"Q:I  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Kb{&a  
jnztCNaX  
&oHr]=xA  
32SkxcfrCK  
^p9V5o  
W#NZnxOX"  
|nnFjGC`~  
自由参数： 'kC#GTZi  
 反射镜1后y方向的光束半径 fKr_u<|  
 反射镜2后的光束半径 0|j44e}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Qb>("j~Z  
 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。 ED79a:  
b1i~F45h  
XxdD)I  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 4[]*=  
{^N,$,Ab.  
B;NK\5>  
结果：使用GFT+进行光束整形 .$W}  
?6&G:Uz/  
gzSm=6Qw0  
RHNAHw9  
LiQH!yHW  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 [hg9 0Q6  
lemV&$WN|  
"j?xgV
 
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ILH[q>  
3gVU#T[[  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 j?
]+~  
0n`Temb/  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Q$]1juqg  
<D)@;A  
.|07IH/Di{  

+4T.3Njjn  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd HDzeotD  
wA/!A$v(  
结果：评估光束参数 !]A
/ID0K  
V(0Y   
4xalm  
 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。 L/WRVc6  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 MoEh25U.  
8$47Y2r@  
L[*cbjt[  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 mrG?5
.7W  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） a`^$xOK,  
^/%Y]d$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ,%xat`d3,3  
J>#yA0QD2  
光束质量优化 u #}1 M  
PX&}g-M9  
Rc4=zimr+  
 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。 d#bg(y\G|  
 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）。 A=|a!N/  
G"u4]!$/  
结果：光束质量优化 mSu$1m8  
*)^ZUk  
g +gcH  
 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。 3PRU  
ip{b*@K  
|r;>2b/ x  
7zE1>.  
 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。） /@&o%I3h  
=B;qy7?  
(
]I=';\  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 40].:9VG  
yW7>5r  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 +cmi?~KS*  
>rP[Xox'  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 G^K;+&T  
xnWezO_  
eUCBQK  
 这意味着参数变化是的正态 pMViq0  
$/#[,1  
MzKl=G  
4o@:+T:1  
Lp|n)29+du  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 xpuTh"ED  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 .T(vGiU  
-p7 HQ/  
?^7X2 u$nm  
N z=P1&G'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 46\!W(O~y  
+C
SR!  
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） MuzQz.C  
S-Vxlku]  
gCkR$.-E  
~Cynw(  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 XA.1Y)  
?/sn"~"  
总结 'BgR01w J  
z`\KQx  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !-%%94Q  
1.模拟 OuWRLcJ!  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 E|_8#xvb  
2.研究 gy|o#&e]%  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 /6y{?0S  
3.优化 !a!4^zqp  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 3N2d@R  
4.分析 -*T0Cl.  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 7aPA+gA/  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 @/$i -?E  
L %ifl:K  
参考文献 LZs'hA<L  
[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). aAn p7\7  
Z:x`][vg  
进一步阅读 x6Gl|e[jv  
`0q=Z],  
进一步阅读 wr,+9uK  
 获得入门视频 G6x'Myg I  
- 介绍光路图 (./Iq#@S  
- 介绍参数运行 L@Qvj-5e  
 关于案例的文档 {36N=A  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens )_o^d>$da  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens fF9hL3h?)  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing -G_3
B(]`  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair