[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） af&P;#U  
VL$?vI'  
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 %<MI]D  
-2Dgr\M  
&jh17y  
/mK]O7O7  
简述案例 )!'7!" $  
ov1#BeQ  
系统详情 tQ)l4Y 8  
 光源 SOluTFxUw  
- 强象散VIS激光二极管 0hq\{pw_y*  
 元件 e4;h*
IQK  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） P8 R^46  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ozl>Au  
 探测器 g+-^6UG  
- 光线可视化（3D显示） '^tC|)  
- 波前差探测 }s.\B 
 
- 场分布和相位计算 U}GO* +  
- 光束参数（M2值，发散角） t6~~s iQI'  
 模拟/设计 va!fJ  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 vQ>8>V  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： +; =XiB5R  
 分析和优化整形光束质量 fBKN?]BdN  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 &H2j3
De  
Us3zvpy)o  
系统说明 ,t39~w  
ONLhQJCb  
QfL8@W~e  
模拟和设计结果 X&A2:A 6\+  
|wuN`;gc"  
数值探测器结果 wIF)(t-):  
hfs QAa  

wYh]3  
ZpZoOdjslV  
iN2591S  
总结 #,OiZQJC  
*]ME]2qP  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 T;3B_lu]  
1.模拟 r(g2&}o\  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 VgMuX3=  
2.评估 Cf@N>N#t)  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 O)`ye5>v  
3.优化 M+7jJ?n  
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。 Hh%|}*f_,  
4.分析 35YDP|XZb  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 *\^(-p~M  
j{HIdP  
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。 DOq"=R+  
_FN#Vq2  
详述案例 vH6.;j'^  
t]xR`Rr;X  
系统参数 D+7[2$:z  
hjp,v)#  
案例的内容和目标 3&B- w  
vh^?M#\  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 x'V:qv*O  
Jv~^hN2  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 >eX9
dA3X  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 HyIyrUrYW  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 B8zc#0!1  
}q:4Zh'l!  
模拟任务：反射光束整形设置 "f-HOd\=  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 'NDr$Qc3  
nsu RG  

gVs@T'  
Lo}zT-F  
C%"aj^u  
!~Kg_*IT  
规格：像散激光光束 Bu4@FIK!C  
;V84Dy#b  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 9M@,BXOt  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 "
nU] 2  
H1$n6J  
w+hpi
5OH  
P5v;o9B&  
Gl9,!"A  
K/8TwB
?I  
规格：柱形抛物面反射镜 @E=77Jn[px  
                         fj[Kbo 7!h  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Lg|]|,%e  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
Ce} m_  
 曲率半径等于焦距的两倍 3lN@1jlh  
i\kDb=  
lOHW9Z  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） zEw~t&:e  
(dHjf;  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 +(h{3Y|  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） H"wIa8A  
 离轴角决定了截切区域 )<.y{_QUN  
Xl E0oN~{  
规格：参数概述（12° x 46°光束） x}#N?d
  
5X:3'
*  
   S(_DR8  
)g`~,3G  
光束整形装置的光路图 X5+$:jq&  
N: 5 N}am  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 s$ ?;C  
 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。 Fm+V_.H/;  
D{JwZL@7k2  
反射光束整形系统的3D视图 {5c]\{O?[  
.d+zF,02Z  
SA?1*dw)  
Nr`v|_U  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 'Qg.D88  
 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,.1Tb  
-:Bgp*S  
详述案例 d"thM  
j? Vs"d|  
模拟和结果 P[jh^!<j  
{HjJ9ZGQ  
结果：3D系统光线扫描分析 WnA Y<hZ|  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 p:3w8#)M
Z  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 CW+gZ!  
SME]C')7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd lLI%J>b@  
gOy{ RE  
使用参数耦合来设置系统 +R"n_6N  
OXbC\^qo@  
t;_1/mt  
自由参数： l
HE+o;-  
 反射镜1后y方向的光束半径 EBpg  
 反射镜2后的光束半径 ]hZk#rp}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） }Ggn2 X  
 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。 Is9.A_0h  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 @2TfW]6  
M%s!qC+  
Z 4c^6v  
15MKV=?oY  
AnpO?+\HF  
%1)JRc  
?',Wn3A  
自由参数： Fzz9BEw(i  
 反射镜1后y方向的光束半径 V(Oi!(H;v  
 反射镜2后的光束半径 Omph(
  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） [YJ*zO  
 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。 V>ZDJW"G!  
EF;B)y=  
hPUZ{#;n  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 |*L/ m0'L  
qBZ;S3  
C#RueDa.  
结果：使用GFT+进行光束整形 ER:K^ Za  
'Y]<1M>.g  
\U'*B}Sz  
*=77|Dba  
D3y4e8+Z'  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 "WH &BhQYD  
CS0q#?  
V=c?V
/pl  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 2L=(-CH9]  
m`jGBSlw_  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 4x.I"eW~&  
{_ZbPPh;M"  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： o_r{cnu  
FV%|*JW[;N  
4+4&}8FH  
J$-1odL0Z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd i'}"5O+  
xFyBF[c  
结果：评估光束参数 y tTppmJF  
zoj w^%W  
_V` QvnT}  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Ef=4yH?\j  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 \p)eY#A  
5,R<9FjW  
<g, 21(bc  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 !X=
93%  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） mOb@w/f  
\*c=b
z&l  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Z-aB[hE  
d%oHcn  
光束质量优化 AS lmW@/9v  
q\Z9.T+Qo  
Vb?_RE_H  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 OO;I^`Yn  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 p&HkR^.S  
:BblH0
'  
结果：光束质量优化 &]c7<=`K"  
8,:lw3x1  
t_qX7P8+'  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 ZOL#Q+U  
l#]+I YD  
w^S]HzMd  
b+$-f:m
j  
 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。） s$/Z+"f(  
:oJ!9\5  
bWzUWLa  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd `[tYe<  
[LSs|f  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ;$UB@)7%  
{tnhP^C3>  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Rtai?  
mm N$\2  
u)l[*";S  
 这意味着参数变化是的正态 (-{.T  
Qa1G0qMEIF  
"mcuF]7F  
d^`n/"Ice  
xic&m5j m  
 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。 ;AT~?o`n  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ET|4a(x  
5 Praj  
weIlWxy  
#F+b^WTR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,
m)YL>k  
"9;Ay@'B  
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） $HV`bJ5!L*  
/fxv^C82yv  
N'8}5Kx5  
hle@= e/n  
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。 CePI{`&,  
0f,Ii_k bT  
总结 do@BJWo  
qox@_  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 HE3x0H}o>  
1.模拟 ra{HlB{  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 2}.EFQp+  
2.研究 ( z.\,M  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 3yM!BTlX  
3.优化 $p.0[A(N  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 mQ:5(]v  
4.分析 y?V#LW[^E  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Tc;j)_C)  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 QBTjiaYGa'  
o&rNM5:  
参考文献 ~)!vhdBe  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 5~xv"S(E}  
E XQ3(:&  
进一步阅读 FdmoR;  
S{)'1J_0  
进一步阅读 *iujJi  
 获得入门视频 fngk<$lvg  
- 介绍光路图 *AI
?md  
- 介绍参数运行 gK-$y9]~+  
 关于案例的文档 P!lTK
  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens |?<r  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens <>[]-Vq  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing t0o'_>*?A  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair