[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ((KNOa5  
2I:x)  
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 X}"Ic@8  
aC$-riP,?'  
Tfasry9'8  
>4I,9TO  
简述案例 4#<r}j12z  
i/Zv@GF  
系统详情 Vyy;mEBg  
 光源 5:S=gARz  
- 强象散VIS激光二极管 tc-pVw:TV  
 元件 o>Fc.$ngZ  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） `Wc"Ix0  
- 具有高斯振幅调制的光阑 6(#fGH&[  
 探测器 Q=B>Q  
- 光线可视化（3D显示） JSXJlau  
- 波前差探测 8w,+Y]X<P[  
- 场分布和相位计算 VTS7K2lBvX  
- 光束参数（M2值，发散角） 9)c{L<o}T  
 模拟/设计 >WYiOXYv  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 q,Oj  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： (RXOv"''=  
 分析和优化整形光束质量 _:N+mEF  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 MTnW5W-r9  
5hxG\f#}?  
系统说明 2EO WbN}M  
Bh`Y?S  
g5",jTn#  
模拟和设计结果 fEv`iXZG  
s&Bk@a8  
数值探测器结果 WFr;z*  
<@F.qMl  
E&;[E  
[ADSGnw  
Uz4!O  
总结 a:q>7V|%$  
cj[a^ ZH  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 g3V bP  
1.模拟 S['rfD>9  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 %-nYK3  
2.评估 n'
?AZ4&z  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 OM>,1;UH]  
3.优化 ,(&p"O":  
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。 Uzi.CYVs%  
4.分析 dnwTD\),  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Ym% $!#  
96(3il
At  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 sn!E$ls3O  
RJpRsr  
详述案例 kA.U2  
KF.O>c87&  
系统参数 |]M|IX8 o  
"_
f~8f`y  
案例的内容和目标 k^H&IS!  
OfE>8*RI4  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 QLPb5{>KDS  
KD<smwXjG  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 3BZa}Q_  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ~|:U"w\[=  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 L2sUh+'|  
*+i1m`6Q  
模拟任务：反射光束整形设置 3 P=I)q  
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。 t6,bA1*5y  
@%^JB  
,J$XVvwxF  
|&oTxx$S  
P Nf_{4  
a23XrX  
规格：像散激光光束 v 1.8]||^  
MwuRxeRO-  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 A3uF 0A  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 u\y$<  
_'*Vcu`Y  
IDY2X+C#U  
6(1S_b=a  
{V^|9j:\K  
o#Viz:  
规格：柱形抛物面反射镜 Oxp!G7qfo  
                         cr`NHl/XF  
 有抛物面曲率的圆柱镜 @*<`*W  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ]3\%i2NM  
 曲率半径等于焦距的两倍 si,)!%b  
}> ]`#s  
KY'x;\0 g  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ;Tec)Fl  
U^;|as  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 B'v~0Kau  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ~(;HkT  
 离轴角决定了截切区域 uqsVq0H  
Y2TXWl,Jk  
规格：参数概述（12° x 46°光束） hDf!l$e.  
E)iX`Xq|0{  
   tch;_7?  
S8,e`F  
光束整形装置的光路图 ;)ku SH  
v8y !zo'  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 j0~dJ#  
 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。 0JXXJ:dB  
7$JOIsM  
反射光束整形系统的3D视图 .O&[9`"'  
3(,c^F  
5D <  
O9P4r*prA  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 4g)$(5jI}  
 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）。 YM,UM>  
m2\[L/W]  
详述案例 :I2spBx  

j%)@f0Ng  
模拟和结果 m^o?{ (K  
fP/;t61Z  
结果：3D系统光线扫描分析 jpkKdQX)  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 v[\GhVb  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 "#.L\p{Zy  
A\})H  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd i
3vg7V.  
E^B3MyS^^  
使用参数耦合来设置系统 b=kY9!GN,v  
+O4//FC-"  
G2dPm}sZG  
自由参数： %x8vvcO^t  
 反射镜1后y方向的光束半径 q\/xx`L  
 反射镜2后的光束半径 ]$!7;P  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） [M2xF<r6t  
 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。 OyQ[}w3o|  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 KP_7h/e  
DFQ`<r&!  
sitgz)Ki^  
d~KTUgH'<  
MM*9Q`cB  
}Xb|Ur43  
w19OOD  
自由参数： R(s[JH(&  
 反射镜1后y方向的光束半径 {8556>\~  
 反射镜2后的光束半径 kbSl.V%)  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） n5Mhp:zc,  
 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。 `o0ISJeKp  
rX22%~1  
,U~in)\ U  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 $S^rKp#  
} x KvN  
Mehp]5*  
结果：使用GFT+进行光束整形 24*3m&fA*K  
8l<~zIoO  
75iudki  
\[ W`hhJ  
k>=wwPy  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 TA+#{q+a  
!1mAq+q!  
iV:\,<8d  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 y\:,.cZ+TQ  
.uB[zJc  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ]dT]25V  
RN$q,f[#  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Q6n8,2*  
!iAZEOkRR  
Pr,C)uch  
X*a7`aL  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %;#9lkOXWH  
/U>8vV+C  
结果：评估光束参数 #fFD|q  
'i;ofJ[.c  
ie/QSte  
 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。 W+.?J 60  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 GYonb)F  
;1k_J~Qei  
&VxK AQMxN  
 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。 UJ`%uLR~  
 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） M#yUdl7d  
iHWt;]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd :~p_(rE  
BbI),iP  
光束质量优化 cGWL'r)P  
17VNw/Y  
E8o9ufj3  
 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。 s%
?<:
9  
 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）。 xG(:O@  
K,*IfHi6[  
结果：光束质量优化 x!onan  
th=45y"C  
UHDcheeRD  
 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。 '=IuwCB|;  
efh1-3f  
"?YpF2pD  
"H{#ib_c_  
 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。） ;8gODj:dO
 
w$Mb+b$  
%;`3I$  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd &HJ~\6r\  
lqKwjJtX  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 .|K\1qGW0  
2aQ}| `  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 *kDV ^RBfq  
b*a}~1  
(7v`5|'0  
 这意味着参数变化是的正态 \g|;7&%l3  
#p=Wt&2  
c:}K(yAdd  
-ANq!$E  
/zV0kW>N  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 D7$xY\0r  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 yNQ 9~P2  
xX
])IZD  
;}k_2mr~  
"2@Ys*e  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
PvdR)ZEm  

%P]-wBJw  
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） 5TdI  
o-t!z'\l
O  
?/s=E+  
#/pZ#ny  
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。 1'* {VmM  
2qkC{klC^M  
总结 ,<-a 6  
JGk,u6K7  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 mH3{<^Z6  
1.模拟 [ \Aor[(  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 k4nA+k<WI`  
2.研究 or]s  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 %n#^#:  
3.优化 6_a.`ehtj<  
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。 "i*Gi \U
 
4.分析 8|,-P=%t  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 d_Vwjv&@/"  
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%#uZG\}  
UJF }Ye  
参考文献 ; bDFrG  
[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). 1')/BM2  
XC{(O:EG  
进一步阅读 H\!u5o&}`  
-.WVuc`  
进一步阅读 k07) g:_  
 获得入门视频 )O%lh 8fI  
- 介绍光路图 >Y< y]vM:  
- 介绍参数运行 E]Hl&t/}  
 关于案例的文档 !ZV#~t:)  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens V1;Qt-i  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens `\P:rn95;  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 5cQBqH]   
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair