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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) ^~^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@jsx M  
    - 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 #  
    JRXRi*@  
    场(强度)分布                                   优化后
    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-3q6A  
    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$ {>  
    D:9 2\l  
     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  
    SSA W52xC  
     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  
    \RG!@$i  
    使用参数耦合来设置系统 i$^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|  
    F5T3E?_  
    结果:使用GFT+进行光束整形 gzn^#3b  
    ^QX bJJ  
    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$i(  
    结果:评估光束参数 G;iEo4\?  
    N:5[,O<m_  
    6sfwlT  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 }Fb!?['G5  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 dl]#  
    n~IVNB*  
    ed!>)Cb  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 [\z/Lbn ,.  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) e /K#>,  
    6QQfQ,  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2'0K WYM  
    NZLAk~R;0  
    光束质量优化 kSncZ0K{  
    R!\EK H  
    \_6OCVil  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 +>f<EPGn  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    j7QX ,_Q  
    p<Z3tD;Z  
    结果:光束质量优化 32)tJ|m  
    %q 3$|>  
    +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 IakKi4(  
    [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
     
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