[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） LNR1YC1c  
CfS;F  
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 q]pHD})O  
r ^*D8  
Z?qLn6y1W  
/mp!%j~  
简述案例 cy?#LS  
Hp ;$fQ  
系统详情 A:y^9+Da  
 光源 >h~ik/|*  
- 强象散VIS激光二极管 9S9j  
 元件 )sK53O$  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Iy;"ht6  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ^+d]'$  
 探测器 fD\Fq'29{  
- 光线可视化（3D显示） 3rHn?  
- 波前差探测 ^yl}/OD  
- 场分布和相位计算 x%ccNP0  
- 光束参数（M2值，发散角） -\B*reC  
 模拟/设计 6XCFL-o-  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 !fe_w5S^  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： IaOR%Bg  
 分析和优化整形光束质量 }:$ot18  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 k$f2i,7'  
x3U>5F@  
系统说明  W{Z7=  
tEo-Mj5:  
Svo\
+S  
模拟和设计结果 [Pjitw/?  
+kE~OdZG  
数值探测器结果 (@!K tW  
yVXVHCB  
]s)Y">6  
Z.Dg=>G]
  
%*Mr ^=  
总结 ]i0=3H2  
O8" t.W  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3>MILEY^  
1.模拟 EVaHb;  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 *ej< 0I{  
2.评估 bnanTH9-  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ?mK&Slh.  
3.优化 O(=9&PRi  
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。 2T(+VeM
Q=  
4.分析 2&]LZ:(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 I 2OQ
  
 |xg#Q`O  
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。 oq$#wiV"Q  
[Y, L=p  
详述案例 A:Gd F-;[  
QZ;DZMP  
系统参数 ErJ@$&7  
6dz^%Ub  
案例的内容和目标 %t!S 7UD  
\~Z%}$ =  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 OUGkam0UK  
Z^4+ 88  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 @0t[7Nv-1  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 L'aB/5_%  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 vbtZ5Gm   
5%fWX'mS  
模拟任务：反射光束整形设置 r`EjD}2d  
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。 =GF=_
Ac  
?(K=du  
}Kp<w,  
G?XA",AC  
<Y1Plc  
>.K%W*t  
规格：像散激光光束 iZeq l1O  
7'i{JPm  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 5n}<V-yJ*m  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 >,3
uu}s  
62_k`)k  
CyYr5 Dz  
/Qr`au  
{GnZ@Q:F  
;l @lA)i  
规格：柱形抛物面反射镜 ku]?"{Xx  
                         Q{950$)L
 
 有抛物面曲率的圆柱镜 '#LzQ6Pn  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 +>!nqp  
 曲率半径等于焦距的两倍 },JJ!3  
+M_
_\7  
@/^mFqr2  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） "H`Be  
<n#X~}i)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 vMEN14;yH_  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） sr&W+4T  
 离轴角决定了截切区域 I%a-5f$0  
j"h/v7~  
规格：参数概述（12° x 46°光束） !1=OaOT  
SKnYeT  
   ^ `Ozw^~  
1a{r1([)  
光束整形装置的光路图 N=2T~M 1  
r W[;3yMf  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ^OWG9`p+  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 |R@T`dW  
h^tCF=S  
反射光束整形系统的3D视图 5{V"!M+<  
[I4MK%YQ  
SU~.baP?  
QWfSm^ t  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 #c@&mus  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 jmr .gW  
<.4(#Ebd  
详述案例 JXU?'@QY  
oxc;DfJ_  
模拟和结果 n Ab~  
MBA?, |9Q#  
结果：3D系统光线扫描分析 [%dsq`b#  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 }BlyEcw'aN  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 [d[w/@  
QNMZR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd x0Loid\f  
4DCh+|r  
使用参数耦合来设置系统 3qe`#j  
I&La0g_E  
3i!a\N4 K  
自由参数： e*}zl>f  
 反射镜1后y方向的光束半径 n~yKq"^  
 反射镜2后的光束半径 X|hYZR  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ?tjEXg>ny  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 J2VPOn  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 o[!o+M  
:;eOhZ=_  
qK%N{ro[{?  
M,H8ZO:R  
iw,u
wh|L  
}}TPu8Rl  
_D4qnb@  
自由参数： 8m iJQIq  
 反射镜1后y方向的光束半径 " C0dZ  
 反射镜2后的光束半径 >
 "F-1{  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ]}g\te  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 G)<B7-72;  
1w7tRw  
Qt4mg?X/  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 qLLrR,:  
AQjv? 4)T  
/W,hO
v  
结果：使用GFT+进行光束整形 rogy`mh\r2  
xFp$JN  
Q.B)?w
m  
Xf&YcHo  
]}/Rl}_  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 M%ecWr!tj  
*Ze0V9$'  
^O7sQ7V"f=  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ~F-knEvL  
,4"N7_!7  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 bI0xI[#Q  
?=Ceo#Er  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： }w4OCN\1  
b(N\R_IQ~  
CJN~
p]\  
*D%w r'!>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~ `}),aA  
-51LF=(!L  
结果：评估光束参数 $>#0RzU  
wyX3qH  
J(}PvkA  
 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。 0e0)1;t\  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 h9 DUS,G9,  
fD[O tc  
[(Z(8{3i  
 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。 R4 eu,,J  
 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） G8vDy1`q6  
9l~D}5e7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd NUVKAAgMX  
giu{,gS0?M  
光束质量优化 _a
b8z]H   
W2rd[W  
t<fah3hl  
 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。 8GW+:
 
 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）。 kP$E+L  
2F*>&n&Db7  
结果：光束质量优化  t* Ct*  
eEBNO*2  
uz+WVmb  
 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。
J:W+'x`@  
"{vWdY|"  
@P~%4:!Hr  
F-zIzzb&O  
 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。） ?=4oxPe  
bvh#Q_  
uMva5o  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 0,~s0
]h0V  
4vi?9MPz  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ?XdvZf $  
dakHH@Q  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 mZB:j]T  
@&m]:GR  
U[3w9  
 这意味着参数变化是的正态 l(rm0_  
:'%|LBc0  
@C@9Tw2Y  
f=V`Nn<=A  
%t,42jQ9  
 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。 Xh}q/H<  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 wN'S+4  
6_" n  
>WZ%Pv*  
1J1Jp|j.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Gi-pi=#&cs  
KO8vUR*2R  
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） !]s=9(O  
z =H?@z  
"JmbYb#Z  
;DX{+Z[  
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。 :CM-I_6  
}Y.@:v j  
总结 _:Q^mV=;j  
An(gHi;1$  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @>U9CL"  
1.模拟 PT,*KYF_O"  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 hU(  
2.研究 "Vc|D (g  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 sCy.i/y  
3.优化 (:~_#BA  
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。 Ap\]v2G  
4.分析 P[H`]q|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 5C*Zb3VG4  
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。 0|va}m`<3G  
_`QMEr?  
参考文献 wMF1HT<*  
[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). `mAYK)N  
< :eKXH2  
进一步阅读 8_>:0(y  
=#TQXm']Gi  
进一步阅读 2mj>,kS?c  
 获得入门视频 gDfM}2]/  
- 介绍光路图 6"?#s/fk  
- 介绍参数运行 [ui
e]*^  
 关于案例的文档 -=rGN"(M _  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens YA8/TFu<_  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens )tV]h#4  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing O{]}{Ss  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair