[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） KRKCD4  
`,*5wBC  
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 }?v )N).kW  
I ?.^ho  
0NX,QD  
_``=cc  
简述案例 J`1rJ  
g5r(>,vY  
系统详情 x.R4%Z  
 光源 ZO$%[ftb  
- 强象散VIS激光二极管 $
\y'IQ%  
 元件 ,L'zRyP  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） qK&d]6H R  
- 具有高斯振幅调制的光阑 cq4Ipe  
 探测器 g_COp"!~9  
- 光线可视化（3D显示） ~z;FP$U  
- 波前差探测 As<bL:>dE  
- 场分布和相位计算 ZLAy- 9^Y  
- 光束参数（M2值，发散角） gEE\y{y  
 模拟/设计 x{WD;$J  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 i@M[>~  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： XACm[NY_  
 分析和优化整形光束质量 K0Fh%Y4)QH  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 l0A&9g*l2  
\d$!a5LF}  
系统说明 \6*I'|5d  
0b(N^$js'  
EG |A_m85  
模拟和设计结果 KRDmY+  
"C0Q(dr/n  
数值探测器结果 yd
`mG{Z  
V[vl!XM  
K~uq,~  
,]c 1A$Sr0  
'}bgLv  
总结 e(=w(;84  
xAMW-eF?d  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 E\pL!c  
1.模拟 c.F6~IHu7  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Pce;r*9  
2.评估 X1vd'
>  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 r#]WI|  
3.优化 G,Azm}+  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Dy8r 9  
4.分析 P;]F(in=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 hv_XP,1K  
W'+:'_{j:  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 dQR-H7U  
n$,*|_$#  
详述案例 u.Tcg^v  
bYQRBi  
系统参数
2Ny"O.0h  
Px`!A EFd[  
案例的内容和目标 2
JcjZn  
a\YV3NJ/A  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Y,t={HiclX  
SPmq4  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2Gaa(rJ5o  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 h6`6tk  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 @xYlS5{  
>y:,9;  
模拟任务：反射光束整形设置 KE3;V2Ym f  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ]R9HyCl&a6  
x-
.?HS[  
_1!OlQ  
56-dD5{hxR  
uurh??R  
d8=x0~7  
规格：像散激光光束 cI?8RF(;  
3Xy-r=N.l  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 &/]Fc{]^$f  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 G@jZ)2  
.qZ
~_xkd  
mahJSz(3  
K\6u9BYG  
@Y<bwv  
1--C~IjJ+  
规格：柱形抛物面反射镜 >!bJslWA  
                         h2J/c#Qvh  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ?8Z0Gqt74  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 kH7(@Pa  
 曲率半径等于焦距的两倍 ^pF&`2eD  
O%KsD[W;  
kbMWGB%;  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
aa#Y=%^  
qUGC"<W  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 6'G6<8>-  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 8sTp`}54J  
 离轴角决定了截切区域 ``\i58K{e  
usK*s$ns  
规格：参数概述（12° x 46°光束） '2nhv,|.U  
<;m<8RjX  
   9s$CA4?HP  
,UG
RrS  
光束整形装置的光路图 Q1 $^v0-)  
:^WKT  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 h"_;IUZ!  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 y8!4q  
';jYO
Ve  
反射光束整形系统的3D视图 %9N7Ln|%  
Za3]d+qm  
`e|0g"oP  
GyIT{M}KV  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ^l=!JP=M=  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 e2t-4} ww  
b TM{l.Aq3  
详述案例 fW3(&@  
Xr$J9*Jk-  
模拟和结果 pU%n]]qF  
.C(eh   
结果：3D系统光线扫描分析 J|kR5'?x  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 o(LFh[  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ,p2s:&"  
KB`!Sj\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bM!_e3ik;  
8WbgSY`  
使用参数耦合来设置系统 t2I5hSf  
4C-jlm)V  
?Exv|e  
自由参数： 8I8 F/47x  
 反射镜1后y方向的光束半径 m4&h>9. 8  
 反射镜2后的光束半径 MgOR2,cR  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） mdmvT~`  
 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。 m~P CB_ifW  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 o-{[|/)Tk  
*`\Pr  
G!W[8UG  
y8L D7<1u  
L,`Lggq-  
I)cFG{~L  
iZNts%Y]  
自由参数： @}OL9Ch  
 反射镜1后y方向的光束半径 &7b|4a8B%  
 反射镜2后的光束半径 ZP*q4:  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） LuSLkLN  
 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。 UXugRk%d  
wEE\+3b)  
:xD=`ib  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 8:>1F,  
&8>IeK{I  
xA1hfe.9  
结果：使用GFT+进行光束整形 |e?64%l5P  
8V)^R(\;  
:x{NBvUIc  
[*HN"  

#qI= Z0Y  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ~ ! 3I2  
7,|c  
}YMy6eW4  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 |8=nL$u  
j>x-"9N  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 2f:Eof(B  
]*FVz$>XM  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： n\5RAIg  
2?,EzBeal  
7L@K _ZJ  
T/xp?Vq6/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 5ish\"  
I1\a[Xe8E  
结果：评估光束参数 H(2]7dRS%  
}!/$M\w  
Bj}^\Pc;}  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 }_;!hdYq  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 1Q4}'0U4  
t{FlB!jv  
(v|}\?L  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 N:tY":Hi  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） ks97k8B  
~r$jza~o(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 
rEv*)W  
'XofD}dm  
光束质量优化 gV`=jAE_  
4RV%Z!kcD!  
AfP'EP0m  
 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。 w'fT=v
)  
 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）。 B`o]*"xkB  
Q~Hh
\Lt  
结果：光束质量优化 CQr<N w  
199]WHc  
WN5`;
{\  
 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。 f7~9|w&  
mp?78_I)  
pY~,(s|Qb  
wTGbd  
 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。） !F4@KAv  
n?ctLbg  
{^rs#, W  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd RJH,  
<b?!jV7  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 -

,aeM~  
hf<^/@^tK  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 |vMpXiMxxT  
~+bGN  
e9Pk"HHl  
 这意味着参数变化是的正态 5"]~oPK  
8kOKwEX  
e)IpPTj#  
?@t d  
0lsXCr_X  
 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。 aJe^Tp(  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 h:)Ci!D;  
fr}Eaa-{^  
#9fWA
F  
X!},8}~J~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run K+)%KP
 
ZBG
}3Z   
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） s/e"'Hz  
xc:!cA{V  
Lru-u:  
qr50E[  
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。 %F9{EXJy  
&Q=ZwC7#  
总结 SL&hJs4c'  
W Qzj[  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 qxM
np}O  
1.模拟 vhT_=:x  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 |nk3^
;Yf  
2.研究 Koln9'tB  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 %T=A{<[`  
3.优化 ExXM:1 e26  
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。 sNHSr  
4.分析 !b-bP,q  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 =}fd6ea(o  
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。 Q_"\Q/=?Do  
zggB$5  
参考文献 B 2.q3T  
[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).  5q<zN  
v !Kw< fp|  
进一步阅读 Lj%{y.Rj  
m:O(+Fl  
进一步阅读 sK=}E=  
 获得入门视频 X0+fsf<H}  
- 介绍光路图 k)FmDX  
- 介绍参数运行 - ?!:{UXl  
 关于案例的文档 >Dg#9  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens )W&>[B  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 0gF!!m  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing w*w?S  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair