[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ^~^mR#<P$  
F(deu^s%{  
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 YMi/uy  
7g-Dfg.w
 
ytEQ`  
Q}=fVY  
简述案例 x'@W=P 7   
!?jK1{E3  
系统详情 'r~8  
 光源 5)w4)K-%  
- 强象散VIS激光二极管 >GgE,h  
 元件 8+9\7*  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） v' C@jsxM  
- 具有高斯振幅调制的光阑 5`"iq "5Cf  
 探测器 )&>L !,z  
- 光线可视化（3D显示）
WhH!U0  
- 波前差探测 fTBVvY4(
 
- 场分布和相位计算 4iwf\#  
- 光束参数（M2值，发散角） a_Jb>}  
 模拟/设计 YUCC*t  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 +@e }mL\8  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： E-^2"j>o  
 分析和优化整形光束质量 Y.7}  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 6Z Xu,ks}  
xWDR726  
系统说明 n!ZMTcK8  
^
ESUMXb  
WVOoHH  
模拟和设计结果 [P{a_(
 
sZKEUSFD #  
数值探测器结果 teAukE=}  
mg`j[<wp  
9:Si] Pp+S  
Bhe{L?}0  
"CBRPp
 
总结 pl|h>4af  
UU[H@ym
#  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <6/= y1QC)  
1.模拟 GV5qdD(  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -G-3q
6A  
2.评估 g8RPHjvZ  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
z3W3=@  
3.优化 o5SQ1;`   
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。 V#L'7">VP  
4.分析 Lc|{aN  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 pM9yOY  
0elxA8Z~e  
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。 P\AqpQv  
|4fF T `  
详述案例 ~>g+2]Bn>$  
V&%C\ns4  
系统参数 m'bi\1Q  
gw+eM,Yp  
案例的内容和目标 at| \FOKj  
/P:EWUf'  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 FshC )[w,  
_~&9*D$ {>  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 8I.VJ3Q  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 nxfoWy  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ($8t%jVWJJ  
Da_()e[9p  
模拟任务：反射光束整形设置 uokc:D  
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。 $gvr -~  
R/~,i;d>  
ix&'0IrX*  
(`c G  
Oaa"T8t  
Z9[+'ZWt  
规格：像散激光光束 .3X Y&6  
]iVLHVqz  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 '!Wvqs  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 '3Q3lM'lh  
8:dQ._#v  
#]Y*0Wzpfn  
snC/H G7  
{v,)G)obWw  
"@yyXS r  
规格：柱形抛物面反射镜 24B<[lSK  
                         %u!b& 5]e  
 有抛物面曲率的圆柱镜 `]<`$71w  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 B<,YPS8w  
 曲率半径等于焦距的两倍 FFvCi@oT  
{dzoEM[ 1s  
Qihdn66  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） }r3~rG<D71  
.zkP~xQ~  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 eB]R3j{  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） >5ChcefH  
 离轴角决定了截切区域 uM
S*(L_  
r\qz5G *6  
规格：参数概述（12° x 46°光束） G%{0i20_  
t'(1I|7  
   MbA\pG
'T  
(kw5>c7  
光束整形装置的光路图 [Qj;/  
5o0Ch  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 z]@6fM[  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 0xMj=3']  
{y-^~Q"z  
反射光束整形系统的3D视图 -t-tn22  
^4pto$#@O:  
,D=fFpn  
|FNCXlgZ  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 WNy3@+@GZ  
 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）。 ^}$O|t  
(f#b7O-Wn  
详述案例 =RKSag&  
8@\7&C(g17  
模拟和结果 eV};9VJ$F  
-x*2t;%z{U  
结果：3D系统光线扫描分析 JL^2l$up  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ,6"l(]0  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 C9~~O~7x  
4N>>+]MWc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd N4!<Xj  
\R
G!@$i  
使用参数耦合来设置系统 i$^ZTb^  
B[o`k]]  
NXk!qGV2  
自由参数： )"<8K}%!  
 反射镜1后y方向的光束半径 LKF/u` 0dP  
 反射镜2后的光束半径 0C$vS`s&  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ~)]} 91p  
 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。 4P8*k[.  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 &^.57]  
{2KFD\i\  
N{Qxq>6 G  
U5r}6D!)  
G}zZQy  
tkKJh !Q7  
kxB.,'  
自由参数： &#
w=7L3AW  
 反射镜1后y方向的光束半径 x3G:(YfO  
 反射镜2后的光束半径 5/0j}_pP  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） vqdX^m^PY  
 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。 []pN$]+c  
`BXS)xj  
R9o-`Wz  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Gh( A%x)  
HIvZQQW|  
F5
T3E?_  
结果：使用GFT+进行光束整形 gzn^#3b  
^QXbJJ  
lS5ny  
!cX[-}Q  
vGd1w%J-  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ^A_;#vK  
C(?blv-vM0  
!nf-}ze{  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Kq6jw/T  
r%]Qlt~K  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Sv[5NZn0&  
6p;m\  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 0Q9T3X  
2t#L:vY  
I/J7rkf  
ssQ BSbx
  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
",qU,0  
z?]G3$i(  
结果：评估光束参数 G;iEo4\?  
N:5[,O<m_  
6sfwlT  
 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。 }Fb!?['G5  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 dl]#
 
n~IVNB*  
ed!>)Cb  
 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。 [\z/Lbn ,.  
 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） e /K#>,  
6QQfQ,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2'0K WYM  
NZLAk~R;0  
光束质量优化 kSncZ0K{  
R!\EKH  
\_6OCVil  
 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<EPGn  
 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）。 j7QX,_Q  
p<Z3tD;Z  
结果：光束质量优化 32)tJ|m  
%q3$|>  
+C]&2zc.  
 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。 Av J4\  
r),PtI0X  
}ut]\]b  
7*o*6,/  
 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。） &]6)
LFm  
{}~:&.D  
o89( h!  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd tA.`k;LT  
:*514N  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ],etZ%z&  
~EiH-z4U  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 7j<e)"  
eU+ {*YJg  
U\@
A_ B  
 这意味着参数变化是的正态 Y,S\2or$  
h!@,8y[B  
)Q;978:  
k3!a$0Bs;  
PG%0yv%  
 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。 Sb2v_o  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。
XUMX*  
NcS.49  
{^)70Vz>PE  
DPgm%Xq9(!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Ol/\t  
3L>IX8_   
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） Pz_Oe,{.I  
h+~P"i}&\  
sfT+i;p  
[4Ll0GSp  
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。 -[7O7'  
gApoX0nrv  
总结 Y&bMCI6U  
F'8T;J7  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 e9pOisZ;8  
1.模拟 yGBQ0o7E  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 R@Y=o].2  
2.研究 _cH@I?B  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 I`RBj`IF  
3.优化 \BV 0zKd  
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。 @`"AHt  
4.分析 y7\"[<E`(V  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 |f( ~@Q:  
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。
NLd``=&  
bKVj[r8D~  
参考文献 I
akKi4(  
[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). 2RtHg_d_l  
hn)a@  
进一步阅读 S0/usC[r  
)emOKS  
进一步阅读 tq50fq'  
 获得入门视频 H!IshZfktn  
- 介绍光路图
5AeQQU  
- 介绍参数运行 p0p4Xh1e  
 关于案例的文档 z2c5m  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens -4#2/GXNO  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens b;mSQ4+  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing faXx4A2"  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair