[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） kRTwaNDOD  
oA =4=`  
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
VDr:  
$T`<Qq-r  
1e>s{  
NDs!a  
简述案例 sp5eVAd  
u)V#S:9]  
系统详情 `S2[5i  
 光源 .GsO.#p{  
- 强象散VIS激光二极管 n%k!vJ)]  
 元件 +[R/=$  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 5o6>T!
 
- 具有高斯振幅调制的光阑 h~p>re  
 探测器 m^H21P"z  
- 光线可视化（3D显示） #%D_Y33;  
- 波前差探测 wmTq` XH)  
- 场分布和相位计算 (d<4"!  
- 光束参数（M2值，发散角） Mnz!nWhk  
 模拟/设计 B';6r4I-  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 _`I"0.B]  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： W ]Nv33i [  
 分析和优化整形光束质量 5Pd"h S  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 aAA9$  
CWNx4)ZGw  
系统说明 )*Q-.Je/U  
"7v@Rye  
uFLx  
模拟和设计结果 FI<q@HF  
wAz&"rS  
数值探测器结果 3Ezy %7  
a9T@$:  
Wa1, p  
`"@g8PWe  
U R%4@   
总结 V`RNM%Y  
^RP)>d9Xp{  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 v$7EvFS  
1.模拟 Qed.4R:o  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ]ZoD'-,  
2.评估 GQl$yZaK{  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 UH"#2< |b  
3.优化 .-IkL|M  
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。 c1_5, 1U'  
4.分析 ~O]]N;>72"  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 WJ d%2pO]  
Y)$ ;Ax-D  
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。 d5>H3D{49  
v\,N5  
详述案例 N,f4*PQ  
6}(J6T46M[  
系统参数 581e+iC~<H  
UTSL  
案例的内容和目标 #_|sgS?1  
0z[dlHi  
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 lg-H,  
F! X}(N?t  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 sz9G3artK&  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 I`w4Xrd  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 h8Xg`C\  
|hO~X~P  
模拟任务：反射光束整形设置 p[@5&_u(z  
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。 #!9S}b$  
&tZG @  
NziZTU}
 
I"t(%2*q  
%&Fk4Z}M  
'r@:Cz3e*I  
规格：像散激光光束 )m&U#S _;  
eVR5Xar  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 +hRmO  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 YqV8D&I  
Y(+^;Y3U  
N,J9Wu ZJ\  
ZZj~GQL(S  
"GQl~  
-3&G"hfK  
规格：柱形抛物面反射镜 mrJQ#  
                         /{{UP-  
 有抛物面曲率的圆柱镜 jr /lk  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 H Y ynMP  
 曲率半径等于焦距的两倍 ]u-02g  
jS!`2li?{  
kip`Myw+  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ^Q{Bq  
om3`[r[{  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 kJAn4I.l  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） X]y)ZF26  
 离轴角决定了截切区域 9ktEm|F3  
M0' a9.d  
规格：参数概述（12° x 46°光束） m,R Dr  
{3Y )rY!z  
   m))<!3  
}6-ZE9H-v  
光束整形装置的光路图 Dw2Q 'E  
/_\#zC[  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 !>(RK"KWq]  
 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。 >m'x8xB=  
5y} v{Ijt  
反射光束整形系统的3D视图 -.<k~71  
3SBZ>  
7yt=]1  
UzKFf&-:;K  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 M0c9pE  
 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）。 o\
`>c:.  
{S<>&?XB  
详述案例 #Y
93y\  
=6=_/q2  
模拟和结果 1P]de'-`j  
+jqj6O@Tjr  
结果：3D系统光线扫描分析 XjE>k!=I  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 =3 +
l
 
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 L fl-!1  
.1QgK  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd M]HgIL@9#  
=C f(B<u  
使用参数耦合来设置系统 O{k
:yVb  
eX2<}'W<  
[B0K  
自由参数： G_Ay   
 反射镜1后y方向的光束半径 ^ie^VY($  
 反射镜2后的光束半径 ]]cYLaq(  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） z{BA4sn  
 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。 PK&2h,Cu+  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 HhkN^S,  
z}.
D" P+  
ACjf\4Q  
b>~RSO*  
2 [!Mx&^  
~E=\t9r  
(tl}q3U  
自由参数： )9P&=  
 反射镜1后y方向的光束半径 ,fnsE^}.U  
 反射镜2后的光束半径 j5%qv(w  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） nDlO5 pe"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。 b0a}ME&1  
?z"KnR+?Q  
}r2[!gGd%|  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 S;A)C`X&  
GJ}.\EaAJ  
HPa|uDVv  
结果：使用GFT+进行光束整形 9b6!CNe!  
oA~4p(  
dALK0U  
9.0WKcwg  
B50 [O!  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 el'j
&I  
Lm.`+W5  
CtT~0Y|  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 B#tdLv"I  
67J*&5? |  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 HR3_@^<7  
n=`w9qajd  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： jNy?[ )  
n6d^>s9J  
Yjup  
wO"GtVd  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd -NDi5i\  
n9fk,3  
结果：评估光束参数 {(\(m/!Z  
KtMbze  
3C"_$?y"  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 <pOl[5v]  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 s#lto0b"8  
'XTs -=  
6s,2NeVWa  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 ;,0lUcV  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） GOW"o"S  
d,R6` i  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd [A_r1g&_  
Ky&KF0  
光束质量优化 9bEM#Hj  
,QS'$n  
\Hs|$   
 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。 M5Wl3tZL  
 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）。 l#6&WWmr  
Wg(bD,  
结果：光束质量优化 g+9v$[!  
]xR4->eix  
/Ri,>}n  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 q2!'==h2i  
nx;$dxx_Ws  
01nsdZ-  
qG^_c;l6
a  
 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。） jm>U6  
(zm
Na}-  
=yh3Nd:u
 
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd QSmJ`Bm  
x(vai1CrdH  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 .Qfnd#  
BVAr&cu  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 DoG%T(M!a9  
V5Xi '=  
b8cVnP  
 这意味着参数变化是的正态 n
Fj-<!  
C1D ! V:  
p6[#f96^u  
(h|ch#  
.d e  
 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。 wlL
8X7+:  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 s<d!+<  
QnP{$rT  
Me<du& T  
u/#&0_ P  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 2x6<8J8v*  
`11#J;[@G  
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） ,{pGP#  
 yIa[yJq  
jPpRsw>  
T aEt  
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。 HlF}   
8Yxhd .  
总结 v#-E~;CcC  
$mD>rx  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 2pjW,I!`  
1.模拟 m'SmN{(t  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 1N>6rN  
2.研究 }ymc5-  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 )X~#n  
3.优化 m]1!-`(*  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 7:h<`_HT(X  
4.分析 ZXh~79  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 l3BD <PB2S  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 |@+8]dy:l  
Ou? r {$(b  
参考文献 Y=3X9%v9g  
[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). 0Ux<16#  
_ r~+p  
进一步阅读 % <^[j^j}o  
z^gi[ mi  
进一步阅读 v&e-`.xR  
 获得入门视频 L)1C'8).  
- 介绍光路图 U%h7h`=F?  
- 介绍参数运行 z2.*#xTZn  
 关于案例的文档 P&,hiGTDi  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 9e-*JYF]C  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Lr wINVa  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing >kt~vJI  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair