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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) #)cRD#0  
    q. BqOa:  
    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 y7,~7f!N2  
    Z][?'^`^!  
    2(`2f  
    b2p<!?  
    简述案例
    kQVl8KS  
    bmT  J  
    系统详情 C .YtjLQP$  
    光源 nW|[poQK  
    - 强象散VIS激光二极管 ;]n U->  
     元件 5bZ`YO  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ' P-K}Y  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 >|z=-hqPK  
     探测器 :Q\h'$C  
    - 光线可视化(3D显示) o/=K:5  
    - 波前差探测 _Q.3X[88C  
    - 场分布和相位计算 Hyee#fB  
    - 光束参数(M2值,发散角) ?{{E/J:%  
     模拟/设计 [d dEt  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 q &jW{  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): HJg)c;u/2;  
     分析和优化整形光束质量 cJE2z2uW0  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析  -U*XA  
    C: e}}8i  
    系统说明 ap;UxWqx  
    7*[>e7:A  
    pF"z)E|^  
    模拟和设计结果 6;(Slkv  
    #NL1N_B  
    jh8%Xu]t  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 ~{d94o.  
    T<!`~#kM  
    ]/d2*#  
    df8rf8B-  
    MgtyO3GUAD  
    总结 9 lA YCsX  
    Yq5}r?N  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 aty K^*aX  
    1.模拟 r-Dcc;+=Q  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Bwll [=_I  
    2.评估 VQo7 se1P  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 4r5,kOFWb  
    3.优化 Y{p *$  
    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。 oMMU5sm  
    4.分析 2 ] 4R`[#  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 "Ny_RF  
    p=405~  
    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。 2'pxA:  
    Wg}#{[4  
    详述案例 )k7`!@ID  
    jj$'DZk  
    系统参数 ?TzN?\   
    CQtd%'rt6  
    案例的内容和目标 Hs-NP#I  
    d3n TJX  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 {z.}u5N  
    ,][+:fvS  
    5'z&kl0"S  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ]pB~&0jg  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 z*9/"M  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 X.272q<.  
    /H3,v8J@  
    模拟任务:反射光束整形设置 ;j/ur\37  
    引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ,;D74h2F  
    ~i  &K,  
    .R-:vU880  
    =,0E3:X^  
    ^kXDEKm  
    <&+l;z  
    规格:像散激光光束 OEAF.  
    sO(Kpo9jq  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 {b#c0>.8-  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 *~:@xMa  
     j, G/[V  
    h_A}i2/{  
    }]n&"=Zk-  
    C ]r$   
    G: @gO2(D  
    规格:柱形抛物面反射镜
    -<s?`Rnk  
                             iK.MC%8?  
     有抛物面曲率的圆柱镜 4Y)3<=kDG  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 3]c<7vdl  
     曲率半径等于焦距的两倍 r/{VL3}F_e  
    ,cm2uY  
    2nEj X\BY  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) `__CL )N|  
    I&(cdKY z  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 2?}(  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ]1Q\wsB  
     离轴角决定了截切区域 liU=5 BL  
    y'zEaL&SI@  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) Z-vzq;  
    ;yUY|o  
       -}N{'S,Bp  
    R=9j+74U  
    光束整形装置的光路图 9#3+k/A  
    e3Lf'+G\  
    zg5 u  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 pCC0:  
     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。 0[hl&7 Ab@  
    3~ZtAgih%  
    反射光束整形系统的3D视图 6l>G>)  
    }'Z(J)Bg  
    gVI*`$  
    Ri-I+7(n!  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 B\("08x  
     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)。 h]zx7zt-  
    IC{>q3  
    详述案例 %ZQl.''ISa  
    \dfq& oyU\  
    模拟和结果 -iW[cj R`$  
    x[>A'.m@)  
    结果:3D系统光线扫描分析 ]&9f:5',  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 :s$9#}hw,  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 )v|a:'%K_  
    T}\U:@b  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd jn+0g:l  
    yDyq. -Q  
    使用参数耦合来设置系统 DvhK0L*Qr  
    :zZtZT!  
    2>H\arEstR  
    自由参数: -({\eL$n  
     反射镜1后y方向的光束半径 FF/MTd}6qG  
     反射镜2后的光束半径 Np=*B_ @8  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) &bL1G(}  
     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。 rVN|OLh  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 oF*Y$OEu?c  
    y'+^ ME$H  
    x Apa+j6I  
    HQE#O4  
    P/ y-K0u  
    da-3hM!u+  
    `V?{  
    自由参数: pa\]@;P1  
     反射镜1后y方向的光束半径 ^|x{E20  
     反射镜2后的光束半径 SS`\,%aog  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) M P3E]T~:  
     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。 ec3('}X  
    v\HGL56T  
    Y]n^(V  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 i/$lO de  
    PuOo^pFhH  
    G!Uq#l>  
    结果:使用GFT+进行光束整形 ~M\s!!t3  
    GN>T }  
    od|pI5St  
    -I|yi'  
    Z os~1N]3  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 )0%<ZVB  
    i 9b^\&&  
    ,{oANqP  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 vx ,yz+yP  
    uj]GBo=  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 X;0EgIqh3  
    fDRQ(}  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: 2GD%=rP2]  
    Q7SS<'(  
    h?R-t*G?  
    QHQj6]  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd g =%W"v  
    '2 )d9_ w  
    结果:评估光束参数 62zlO{ >rJ  
    3oIoQj+D  
    b"zq3$6*  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 J L Z  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 .58 AXg  
    MdyH/.Te  
    pkT a^I  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 Y# lE  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) svQDSif  
    F^w0TD8  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd T0SD|'  
    6[CX[=P30  
    光束质量优化 0\mM^+fO  
    Wm\f:|U5`  
    d_yqmx?w  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 O+e8}Tmm  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    0p#36czqy  
    VJNPs6  
    结果:光束质量优化 JhD8.@} b~  
    8^~ljf]6  
    l p? h~  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 H`".L^  
    Jne)?Gt  
    ? &1?uc  
    i&l$G55F  
     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。) Na`qAj}  
     CZuxH  
    0 @ ,@  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 0J_x*k6  
    {6KU.'#iF  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 s_kI\w4(x1  
    -Rf|p(SJ,E  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 ]]]7"a  
    ~\Ynih  
    # AY+[+  
     这意味着参数变化是的正态 !k[ zUti  
    rkzhN59;  
    Pq`4Y K  
    @ce4sSo  
    L%BWrmg  
     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。 jQ[Z*^"}  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 iCc \p2p  
    fG.w;Aemv5  
    ilNm\fQ.  
    3 $RII -}>  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run |6uEf/*DX  
    -7yX>Hjl  
    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) n_w,Ew,>5  
    jRBx7|ON  
    R vY`9D  
    co*5NM^  
    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。 9\"~G)  
    ?Z.YJXoKZ  
    总结  %k2zsM  
    iff U}ce  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 A8A+ImwO"  
    1.模拟 85X^T]zo  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 6Z'zB&hM}  
    2.研究 @hv9 =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。 |, :(3Ml  
    3.优化 w68qyG|wM  
    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。 ?Jma^ S  
    4.分析 x^;n fqn|  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 o3`Z@-.G  
    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。 N1SRnJu<f  
    w"Z >F]YZ  
    参考文献 7eq;dNB@gq  
    [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). A+dY~@*a  
    \myc n/e  
    进一步阅读 C= Zuy^  
    & v`kyc  
    进一步阅读 : Z.mM5  
     获得入门视频 ;Joo!CXHO  
    - 介绍光路图 D2hvf ^g'*  
    - 介绍参数运行 @.gCeMlOf  
     关于案例的文档 "q%)we  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 1DBzD%@Oz  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens LRmO6>y  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing jG/kT5S  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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