[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） :L0/V~D  
(1pEEq84  
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 1Q}mf!Y  
,J mbqOV?!  
Fk^3a'/4KJ  
8_uzpeRhJc  
简述案例 d~ng6pA  
{+("C] b  
系统详情 |0bc$ZY:  
 光源 lf>nbv
p  
- 强象散VIS激光二极管 +TN9ujL6@  
 元件 A%Z)wz{  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） o%M<-l"!/  
- 具有高斯振幅调制的光阑 S"snB/  
 探测器 <c,~aq#W'  
- 光线可视化（3D显示） 77gysd\(  
- 波前差探测 vxN0,l  
- 场分布和相位计算 j<tq1?? [b  
- 光束参数（M2值，发散角） z&nZ<ih  
 模拟/设计 K.>wQA&  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ;n#%G^!H  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： m4ApHM2  
 分析和优化整形光束质量 oB c@]T5>  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 0?Yz]+{C  
5b#QYu  
系统说明 #y"=Cz=1u7  
Az*KsY{/r  
%4>x!{jwV  
模拟和设计结果 US?Rr  
H*e'Cs/  
数值探测器结果 {^q)^<#JT  
h:qHR] 8dZ  
0x)dnq\  
2BB<mv K4  
S;@ay/*~  
总结 >kYp%r6  
RU!?-#*  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Lue|Plm[y  
1.模拟 utO.WfWP  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 *07sK1wW  
2.评估 L&w.j0fq  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 CyM}Hc
&w  
3.优化 ?{J!#`tfV  
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。 EO"C8z'al  
4.分析 z[!x:# q8`  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 )3E,D~1e%  
/NBTvTI  
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。 !G=>ve  
#n})X,ip2  
详述案例 g
T1P*N;v  
6* rcR]  
系统参数 [e"RTTRfZ  
r4knN 2:  
案例的内容和目标 *{/@uO  
we]>(|  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 G!-J$@P  
6}&^=^-  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2cnj@E:5l  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 LdWc X`K  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 F1u)i  
e@ oWwhpE  
模拟任务：反射光束整形设置 >!BFt$sd  
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。 3IyZunFT  
obGWxI%a  
-0|K,k  
v}`1)BUeF
 
oX|?:MS:  
ePA;:8)_j  
规格：像散激光光束 6Y?`=kAp  
cf*zejbw  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 dB)9K)  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 sc 
xLB;  
^5

)_wUf  
x;U|3{Io  
LZV}U*  
~%P3Pp  
=~,l4g\  
规格：柱形抛物面反射镜 w6U @tW  
                         R+Lk~X^*l'  
 有抛物面曲率的圆柱镜 "L_-}B
K  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 S:Xs'0K_  
 曲率半径等于焦距的两倍 84Zgo=P}  
M:|/ijpN  
)F E8D  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） #WEq-0L  
dpn3 (  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 `vEqj v  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） d Uz<1^L  
 离轴角决定了截切区域  1ZNNsB  
ysth{[<5F3  
规格：参数概述（12° x 46°光束） B/_6Ieb+  
3kw}CaZ6  
   b7v dk  
Z:^3Fm->+  
光束整形装置的光路图 1PIzV:L\  
@\$Keg=>:  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ^2JPyyZa  
 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。 ^Y<M~K972  
#^;s<YZ`  
反射光束整形系统的3D视图 9<Ag1l  
N
xB+?  
bQV("~#  
,4yG(O$)  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 *#GDi'0  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 PvuAg(?  
#nbn K  
详述案例 L6kZ2-6  
.t:DvB  
模拟和结果 %t{Sb4XZ4k  
wzbz}P>  
结果：3D系统光线扫描分析 d/4ubf+$k  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 jQs*(=ls  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 26}u4W$  
uZ<%kV1B  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 59~FpjJ  
K+-zY[3  
使用参数耦合来设置系统  )Oo2<:"  
~R$[n.Vpk  
ik1XGFy?  
自由参数： *{Yi}d@h(  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]*a@*0=  
 反射镜2后的光束半径 3M
xz_~  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） LVoyA/F  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 )kF2HF  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 r:
.6"VQu}  
Dl&PL  
e$H|MdY
IA  
` %l&zwj>  
XnPJC'  
A%P 8c  
8V,"Id][  
自由参数： 5d%_Wb'  
 反射镜1后y方向的光束半径 r)c+".0d^  
 反射镜2后的光束半径 {[my"n2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 
IL2e6b  
 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。 U{HyxZ|q<  
:&qC<UD  
5"$e=y/  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 +<GrRYbC  
FoQ?U=er  
)CFk`57U  
结果：使用GFT+进行光束整形 3Hy%SN(  
u"*J[M~  
3,%nkW  
=!(S<];  
!~?W \b\:  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -e &$,R>;  
U
.Pa7tn  
/4(Z`e;0  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 D7EXqo  
3L?WTS6(u  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。  ^8b~ZX  

sWp{Y.  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： >-UD]?>  
%uh R'8"  
8y-e+  
$,}Qf0(S  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &"sX^6t  
-6AOK<kfI  
结果：评估光束参数 2;dM:FHLhO  
"9)1K!tH  
n'! -Pv  
 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。 <m~T>Ql1  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 u4go*#  
"1_{c *ck  
/;zZnF\e  
 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。 :yd=No@  
 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） Ngn\nkf  
C<zx'lw!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd j7QBU  
qPp1:a"   
光束质量优化 Ti0 (VdY  
eUX@9eML  

hVQ7'@  
 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。 3FGbQ_  
 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）。 sZ0g99eX  
NvXj6U*%  
结果：光束质量优化 9m<wcZ  
Z)C:]}Ex  
e}{8a9J<%_  
 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。 <1ztj
#B  
pP?<[ql[w  
I@8+k&nXS  
0L3Bo3:k  
 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。） (1QdZD|  
^hQ:A4@q  
s98: *o3  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd E#yCcC!wMY  
MsN2A6|33  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 zv$=*  
HV]~=Bw2I  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 a7QlU=\  
>=.ch5h3J)  
44Seq  
 这意味着参数变化是的正态 F?yh23&_4  
J>,'P^  
Bbn832iMUY  
nOA,x  
K8yWg\K  
 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。 *#X+Gngo  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 842Mydom  
Qs#9X=6e@  
*so6]+)cU  
RW|UQY#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run (hD X4
;4  
*~\;&G29Y  
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） r9p?@P\:[  
hr/xpQW  
$6Q2)^LJ  
E-*>f"<h  
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。 `Z;B
^Y0  
$G^H7|PzdC  
总结 f_z2#,g  
"GIg|3  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $S"zxEJJ Y  
1.模拟 'tq\<y
 
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Zp% ""  
2.研究 HbJadOK  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 (
+]Ig> t  
3.优化 Q@3ld6y  
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。 il`C,CD  
4.分析 vl#V-UW$4P  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 93zlfLS0  
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。 +ik N) D  
9I^H)~S  
参考文献 O(c4iWm  
[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). B8BY3~}]  
<+mO$0h"r  
进一步阅读 _3FMQY(  
@eG#%6">  
进一步阅读 ;1(qGy4  
 获得入门视频 `"bRjC"f]  
- 介绍光路图 .n^O)|Z
 
- 介绍参数运行 Nt,]00S\w  
 关于案例的文档 /M{)k_V  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens xr1I8 5kM  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 37za^n?SG  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing v~W6y
jp  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair