[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） j nI)n*  
1`aFL5[0$  
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 ynP^|Ou  
Qt>yRt  
f+<-Jc  
2vj)3%:7#E  
简述案例 8{?Oi'-|0  
%HYC-TF#  
系统详情 i7 p#%2  
 光源 Zls4@/\Q  
- 强象散VIS激光二极管 /jj}.X7yH  
 元件 9QY)<K~a  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） gN mp'Lm  
- 具有高斯振幅调制的光阑 hCr7%`  
 探测器 [gv2fqpP  
- 光线可视化（3D显示） xO?~@5  
- 波前差探测 r T*:1  
- 场分布和相位计算 :4Q_\'P  
- 光束参数（M2值，发散角） M
It\[EB  
 模拟/设计 NRoi` IIj  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 d6hWmZVC  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： !(SaE'  
 分析和优化整形光束质量 GVEjB;  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 3)Paf`mr  
aYPzN<"%  
系统说明 ,qv
z:a  
{Lq uOC1  
h
?p^DPo  
模拟和设计结果 ~=0zZTG  
KbwWrf>  
数值探测器结果 zyCl`r[}  
xTAC&OCk^[  
U4LOe}Ny  
Z#4? /'  
PkG+`N  
总结 =BX<;vU  
$orhY D3gv  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 AeUwih. 4  
1.模拟 bcj7.rh]'h  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 rvr Ok  
2.评估 >mt<`s  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 v5<Ext rV  
3.优化 -} Z  
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。 r."D
c  
4.分析 xQJdt$]U@  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 C@Wm+E~;8  
{W0]0_mI(  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 Uyi_B.:`  
T+2?u.{I  
详述案例 !T @|9PCp  
TR:D  
系统参数 rcQ?E=V2O  
%W`pTvF  
案例的内容和目标 DUW;G9LP$-  
EW]gG@w]5r  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 NO9Jre  
pu`|HaQaE  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ADHe![6q  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 NrL%]dl3/  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 fNB*o={r|  
'-ACNgNn  
模拟任务：反射光束整形设置 j4brDlo?@  
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。 -JUv'fk  
dmE-WS  
5IMh$!/uc  
]p#Zdm1EL  
*M KVm)Iv  
Re.fS6y$>  
规格：像散激光光束 Q7#Q6-Q  
+F67g00T|  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 D;:lw]  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ,P9B8oIq  
VMtR4!:q  
 '5[L []A  
[ ra[~  
Grw_SVa^  
!5=3Y4bg1  
规格：柱形抛物面反射镜 fh,Y#.V`  
                         %7V?7BE  
 有抛物面曲率的圆柱镜 $RF"m"  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Is88+,O  
 曲率半径等于焦距的两倍 ?mF-zA'4]  
TJO|{Lxm  
St&XG>nWS  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） u,'c:RMV  
S9xC> |<  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 o.j;dsZ  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） kW/ksz0)  
 离轴角决定了截切区域 wePMBL1P*  
*W i(%  
规格：参数概述（12° x 46°光束） (1TYJ. Z  
r%xNfTa  
   i&?~QQP`  
L(X:=) !K0  
光束整形装置的光路图 Zl* HT%-5  
~%sDQt\S  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 I:Z38xz-[  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 Q0M8}  
tc# rL  
反射光束整形系统的3D视图 ozGK
-$  
]Q)TqwYF  
_39b8s{  
6%fU}si,  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 i44KTC"sB  
 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）。 47t^{WrT  
SUvHLOA  
详述案例 0eb`9yM  
[9$>N  
模拟和结果 `%rqQnVB  
Ou,B3kuQ+  
结果：3D系统光线扫描分析 mWka!lT  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ^ *m;![$[  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 >r{,$)H0  
7eu7ie6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd )b5MP1H  
9-L.?LG  
使用参数耦合来设置系统 _YbHnb  
<hS >L1ZSr  
H,zRmK6A%  
自由参数： U[Z1@2zLx  
 反射镜1后y方向的光束半径 YJr@4!j*  
 反射镜2后的光束半径 `)SkA?yKI  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Q@l3XNH|c  
 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:@Eg;aN*O  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 G =lC[i  
 BeP0lZ  

sd#a_  
-+c_TJ.dC  
rsiG]o=8  
jQ`cfE$sV  
kbOo;<X9A  
自由参数： aIJ[K  
 反射镜1后y方向的光束半径 !&! sn"yD  
 反射镜2后的光束半径 ]Ub?Wo7F?  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） %Wu3$b  
 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。 'p{>zQ\5  
!_zmm$bR  
[?]s((A~B  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 }X}fX#[  
9n44 *sZ  
uv._N6mj  
结果：使用GFT+进行光束整形 B \[P/AC  
z^=9%tLJ  
O(wt[AE
A  
+vZ-o{}.jO  
e'g-mRh  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 v')T^b F@  
wYNh0QlBH  
W!+5}\?  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 }0qgvw  
MheP@ [w|@  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 [ tmJ6^s  
"TG}aS  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： "EHwv2Hm>  
Z\`uI+`  
7pr@aA"vgj  
S,qsCnz  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd yg/.=M  
9<,\+}^{  
结果：评估光束参数 MJDFm,  
NcFHvK  
>CNH=  
 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。 ~?S/0]?c  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 LXfDXXF  
q=g;TAXZl  
E}4R[6YD  
 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。 lHr?sMt
 
 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） bi[vs|  
Z*x Q"+
\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd o{nBtxZ"  
lYD-
U8  
光束质量优化 -bcm"(<T'  
57rc|]C  
If2f7{b  
 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。 \JN?3}_J  
 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）。 jD'\\jAUdm  
VbJGyjx  
结果：光束质量优化 5
7D /"  
29 ')Y|$,  
I@7^H48\  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 pz#oRuujY  
\_CC6J0k  
SUHyg/|F  
d5UdRX]*  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） bp;b;f>  
`epO/Uu\~u  
x>
Q\j>^  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Pr<.ld\  
S0,p:Wey  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 @aWvN;v  
Ryr2  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 sHmzwvpLA  
=P-kb^s  
vRYfB{~  
 这意味着参数变化是的正态 5fDVJE "9"  
}e&   
pa4z
Sl  
+*mi%)I  
%9uLxC;  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 S:+S
Zq  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 yiWBIJ2Wu9  
<TC\Nb$
~  
Pur~Rz\\  
e4j:IK>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run d[6[3B  
CcG{+-=H)  
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） Uf1i"VY  
:Fm;0R@/k  
{OXKXRCa  
9l+'V0?`  
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。 QcU&G*   
PsjSL8]  
总结 4w<U%57  
{D={>0  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 DW\';"  
1.模拟 Y1h8O%?  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 pIXbr($  
2.研究 []}E- V  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 5RrzRAxq  
3.优化  <]2X~+v  
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。 W]}y:_t4
 
4.分析 kn:X^mDXC/  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 N\1 EWi  
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。 (
 d#E16y  
AvfSR p  
参考文献 ]+u`
E
 
[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). S%uwQ!=O8  
2f2Vy:&O_  
进一步阅读 *UJ.cQ}  
s{#rCc)  
进一步阅读
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 获得入门视频 3x@t7B  
- 介绍光路图 qRlS^=#  
- 介绍参数运行 ue"?n2  
 关于案例的文档 C2OBgM+  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ]q~_  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ixm-wZI  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Ro\ U T64  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair