[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） C0zrXhY_v  
%z1{Kus  
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 nc<qbN  
+yth_9  
b![t6-f^z  
Tv`_n2J`2  
简述案例 [/?c@N,  
Ip>^O/}$1  
系统详情 N%O
[  
 光源 Y.E?;iS
  
- 强象散VIS激光二极管 3nwz<P  
 元件 BpH|/7  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） (Ar?QwP9>  
- 具有高斯振幅调制的光阑 yHl@_rN sC  
 探测器 ?LM:RADCm  
- 光线可视化（3D显示） y0;,dv]  
- 波前差探测 Y\.DQ  
- 场分布和相位计算 LxB&7  
- 光束参数（M2值，发散角） DK)u)?!  
 模拟/设计 HH7[tGF  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 yP x\ltG3  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： pXssh  
 分析和优化整形光束质量 . /Y&\<  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 P2>:p%Z
  
}gCG&7C  
系统说明 PDhWFF  
658\#x8|  
:H{Bb{B%  
模拟和设计结果 $>;a'f~  
EVG"._I@  
数值探测器结果 .M8=^,h^K  
Q2q|*EL  
?C}sR:K/  
k'x#t(  
6Hda]y  
总结 2pz4rc  
+1x)z~q=  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 0EyAMu  
1.模拟 W
;.{]x.0  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 *y{+W   
2.评估 O'OFz}x),  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 t|.Ft<c#  
3.优化 _1P`]+K\D$  
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。 |Hfl&3  
4.分析 0:. 6rp  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 <iRWd  
~zMDY F"&  
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。 rfX=*mjt  
VxkEez'|  
详述案例 \p3v#0R{  
l/M[am  
系统参数 y[7C% Wj  
&;s<dDQK  
案例的内容和目标 y=#j`MH{>  
.wD>Gs{sH[  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 \KCWYi]  
JxHv<p[  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 -n-Z/5~ X  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ?T <rt  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 hox< vr4  
1)'Iu`k/  
模拟任务：反射光束整形设置 eKyqU9  
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。 ^iuo^
2+  
%P;[fJ `G  
:kt/$S^-  
:s]\k%"  
a5)JkC  
@gEr+O1K(  
规格：像散激光光束 &1l~&,,  
>P<'L4;  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 T=>vh*J  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 [EruyWK  
'mJ1
3  
JL``iA  
vbaC+AiX  
djfU:$!j&  
L0xsazX:x  
规格：柱形抛物面反射镜 ++0rF\&  
                         &Q~)]|t  
 有抛物面曲率的圆柱镜 a MsJO*;>  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 yuv4*  
 曲率半径等于焦距的两倍 m &!XA  
'gCZ'edM  
5D L,U(Y  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） w,/6B&|  
J 3B`Krh  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 fdLBhe#9M  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ) $J7sa  
 离轴角决定了截切区域 8jNOEM(0Y+  
]VDn'@uM  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 7 OWsHlU  
C99&L3bz^(  
   Mt=R*M}D0  
x;(g  
光束整形装置的光路图 6bUl>4  
kP?_kMOx  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 v^TkDf(Oz  
 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。 =JxFp, Xr  
6+e4<sy[E  
反射光束整形系统的3D视图 ~ aA;<#  
wPgDy  
P7UJ-2%Y+  
\XDmK  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 \447]<u  
 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）。 ]!faA\1  
I)lC{v  
详述案例 OpUA{P  
`2e_ L  
模拟和结果 gyFr"9';c  
{=iyK/Uf  
结果：3D系统光线扫描分析 #9,=Owup  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 #j.FJFGX  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ayeCi8
  
zi.mq&,]R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd EBwK 7c  
AqqHD=Yp  
使用参数耦合来设置系统 &mdB\Y?^  
.<.#aY;N  
dN0mYlu1|  
自由参数： [4\aYB9N  
 反射镜1后y方向的光束半径 6klD22b2$  
 反射镜2后的光束半径 n.ct]+L  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）  Fs)  
 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。 snq;:n!  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 :q;R6-|.  
Gk 6fO  
?Q?598MC  
xEC2@J  
[S)G$JW  
b!,j
a?  
 J `x}{K  
自由参数： f:XfAH3R{  
 反射镜1后y方向的光束半径 XmlIj8%9[&  
 反射镜2后的光束半径 {#9,j]<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ;h9W\Se  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 tUv3jq)n%  
RJwb@r<v  
`0z/BCNB  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 vcM~i^24)  
\OA L Or  
Q0WY$w1<  
结果：使用GFT+进行光束整形 W #47Cz  
Vmtzig3w[  
:P,2K5]y  
P=Puaz5&{  
1OP"5f  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 dk8y>uLr_  
^}@`!ON  
{(!)P  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 -$9~xX  
,ex]$fQ'  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 >>j+LRf*  
@Kp1k> ov  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： /3F<=zikO  
#@E(<Pu4`  
6i-*N[!U  
"f<#.}8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd G:DSWW}  
.*:h9AE7vo  
结果：评估光束参数 jr:drzr{I  
oSmjs  
:l;,m}#@  
 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。 gW}}5Xq  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 +[_gyLN<5b  
"vsjen.K>  
H>Ks6V)RL4  
 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。 U&X.
 
 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） 0JyqCbl  
p
agC(F  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $YPQC  
,8~dz  
光束质量优化 ]| z")gOE  
~T7\8
K+ $  
a}w&dE$!-  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 F=:c5z  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 Yx!n*+:J  
.01TTK*  
结果：光束质量优化 t"tNtLI  
g4Bg6<;  
 X
tR`?  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 oW8;^u  
ah>Dqb*  
TtZrttCE6  
C
M"s9E8y  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） %![4d;Z%x  
4 #G3ew  
<9T [yg  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 9'l.TcVm`,  
. rRc  
反射镜方向的蒙特卡洛公差
u>1v~3,r#  
aK-N}T  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 WVj&0  
)2/b$i,JKk  
I ;l`VtD  
 这意味着参数变化是的正态 6B /Jp  
N4tc V\O  
}WoX9M; 1  
=g1D;  
r!>es;R8  
 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。 %uF:)  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 aL{EkiR  
E#m76]vkCU  
V.+DP  
\A~4\um  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ;wfH^2HxE)  
XNy:0C  
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）  PVS\,  
Og
n,1nm%  
O'Vh{JHf  
P~;<o!f  
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。 ~rp.jd 0l  
N <ja6Ac  
总结 nsy!p5o  
zp}yiE!bl  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 J*/$ywI  
1.模拟 Ti /;|lP@  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 k:@a[qnY  
2.研究 l^)o'YS y  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 }6F_2S3c  
3.优化 s#M? tyhj  
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。 5B_-nYJDt  
4.分析 $eTv6B?m  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 K%o6hBlk_  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 ':9%3Wq]j  
DX7Ou%P,mg  
参考文献 Sz^TGF  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). ,%& LG],6  
8uD8or  
进一步阅读 ZK W@pW]U  
] `b<"  
进一步阅读 "'Q$.sR  
 获得入门视频 !]n{l_5r  
- 介绍光路图 N^)<)?  
- 介绍参数运行 {b\Y?t^>f  
 关于案例的文档 bgkbwE  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 30wYc &H  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hlYS=cgY=  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 77Q4gw~2U  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair