[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） `PQ?8z|  
LEn=dU  
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 )
$l9xx[  
7T|J[WO  
0]h8)EW  
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简述案例 AihL>a%  
P- `~]]  
系统详情 R$T[%AGZ.  
 光源 xZ S\#{  
- 强象散VIS激光二极管 @LWxz  
 元件 [U3D`V$xD  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） c`$`0}  
- 具有高斯振幅调制的光阑 !CVBG*E^l  
 探测器 ]9KQP-p'  
- 光线可视化（3D显示） bD-/ZZz  
- 波前差探测 $_URXI  
- 场分布和相位计算 .j:.WnW  
- 光束参数（M2值，发散角） k8x&aH  
 模拟/设计 O yH!V&w  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 FVC2XxP  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： N[ Lz 0c?  
 分析和优化整形光束质量 WFeMr%Zqh>  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 O{i_?V_  
fa+W9  
系统说明 S$lmEJ_  
|qy"%W@  
yf#%)-7(  
模拟和设计结果 0r$hPmvv8  
w /W Cj4`  
数值探测器结果 [K)1!KK,L  
ELgae1  
nnd-pf-  
x@ s`;qz  
_iboTcUF  
总结 Z1V'NJI+  
5%Fn^u:  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 d*\C^:Z  
1.模拟 X%9xuc  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 DKVt8/vq  
2.评估 ap'kxOf"1  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 VG'(  
3.优化 ?k:])^G5  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 "!6 B5Oz  
4.分析 'MdE}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 MZP><Je&  
pv m'pu78  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 M%5$-;6~_  
WtdkA Sj  
详述案例 oCdOC5
 
;\*Od?1  
系统参数 BWi 7v
  
[A..<[  
案例的内容和目标 |nH0~P#!  
+|"n4iZ!)  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 *UL|{_)c
 
klC^xSx  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2E;%=e  
 之后，研究并优化整形光束的质量。
UWWD8~:  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 >'|xQjLl  
@xF8' [<  
模拟任务：反射光束整形设置  ISnS;  
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。 ?-F'0-t4%  
  [aS)<^  
~Yz/t  
o&F.mYnqX  
o27`g\gDR,  
e"adkV  
规格：像散激光光束 9MzkG87J  
CG>2,pP,  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 'lRHdD}s  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 pnA]@FW  
+e]b,9.sR  
]ifHA# z`~  
,WDAcQ8\  
Lr\ B  
MW[ 4^  
规格：柱形抛物面反射镜 bSmaE7  
                         >)A  
 有抛物面曲率的圆柱镜 re7\nZ<\|  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 B*iz+"H  
 曲率半径等于焦距的两倍 gcCYXPZp  
^%X
\ }><  
VaIP  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） g~H?l3v  
u[|S*(P  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 *4^]?Y\*  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） LLHOWD C(2  
 离轴角决定了截切区域 |M/ \'pOe  
dVt@D&  
规格：参数概述（12° x 46°光束） JiLrwPex[  
:=7'1H  
   #DRtMrfat  
~0'l,  
光束整形装置的光路图 u
lSTR f  
g)D}p@>m  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 _vLT!y  
 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。 LXF%~^^@d  
0S
7Isk2W  
反射光束整形系统的3D视图 Tc(v\|F,  
V1>94/
waa  
zPkPC}f(O  
+\oHQ=s>}\  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 EF=D}"E6pO  
 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）。 ,k
!f`  
![!b^:f  
详述案例 KJC9^BAr  
&2]D+aL|h  
模拟和结果 e CUcE(  
KdpJ[[Ug/  
结果：3D系统光线扫描分析 '^(v8lCu  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 q8bS@\i  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N,,2VSUr  
~wg^>!E  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd RcM0VbR"EU  
P]
x+Q  
使用参数耦合来设置系统 w&cyGd D5  
a&VJYAB  
{-`
OE  
自由参数： c]R![sa  
 反射镜1后y方向的光束半径 Ru aJ9
O  
 反射镜2后的光束半径 ^JDV4>S\  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !jq6cND  
 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。 64X#:t+  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 2^M+s\p  

&LQab>{*K  
^Jc0c)*  
h#ot)m|I  
3 v$
4LY  
2=M!lB *  
H=RV M  
自由参数： M%^laf  
 反射镜1后y方向的光束半径 O~OWRJ@p  
 反射镜2后的光束半径 '="){  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） N,Bs% p#1  
 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。 =I}V PxhE7  
8N_rJ)f  
.Awq
(  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Q^w]Nj(e_  
:P"Gym  
ppP?1Il`kb  
结果：使用GFT+进行光束整形 Jz0S2&  
*{s
[$}uQ  
L1 VTq9[3  
<F & hfy  
N<(`+?  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 8E%*o  
:/l  
e'VXyf  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 +0 |0X {v  
@cGql=
t  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 w!7/;VJ3d  
t O>qd#I  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： r=aQS5  
=ApT#*D)o  
/U]5#'i  
ttVSgKAsm  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd I GtH<0Du  
b7j#a#  
结果：评估光束参数 =o
DrN7`,B  
wJkkc9Rh'(  
GqxK|G1  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 >E=a~ O  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 [rsAY&.  
cEu98nP  
EtGr&\,  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 CNYchE,}  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） T9?_ `h  
Y%@'a~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd m 0PF"(  
`<~P>  
光束质量优化 rID]!7~  
p2^OQ
K  
[?*^&[  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 \_bX2Lg  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 >.4Sx~VH2  
:tG5~sK  
结果：光束质量优化 4*X$Jle|  
S~Q";C[&  
"O "@HVF@  
 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。 _P1-d`b0 a  
|D:0BATRP  
w2[
R&hJ  
xpwzzO*U  
 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。） PQr N";+  
(tN$G:+")F  
UUq9UV-h  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd oZtz"B  
Cj9Tj'0@I+  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 am
gex$  
! +7ve[z  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 W9~datIh>  
yI<'J^1C[  
t:7jlD!d  
 这意味着参数变化是的正态 H'.eqZM  
[~wcHE  
&YNhKm@"  
6:pN?|=6X  
qcF{Kex"  
 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。 Xy+|D#b  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 9nE%r\H  
^*OA%wg3=h  
add-]
2`  
0 CS_-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run jBbc$|O4SY  
_guY%2%yR  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） :e;fs.C  
J4i0+u  
w=$_',5#Z  
1rC'sfz  
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。 \Wk$>?+#@  
RP9||PFS~~  
总结 qDW/8b\^  
}1wuH  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 P.Bk-#}$  
1.模拟 i747( ^  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 yrX]w3kr%  
2.研究 p pq#5t^[)  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 C#R9Hlb  
3.优化 bOdD:=f  
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。 .B*)A.   
4.分析 B|&<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 g d-fJ._1  
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。 ITV}f#  
"x11 YM{F  
参考文献 rgCId@R  
[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). 'e@}N)IX  
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进一步阅读 ,J
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T"jl;,gr]J  
进一步阅读 OZ6%AUot  
 获得入门视频 oS4ag  
- 介绍光路图 u(R`}C?P'  
- 介绍参数运行 ;b^@o,=  
 关于案例的文档 809-p_)B  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ;/
.ZYTD  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens -_3.]o/J  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 3A5" %  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair