[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Ru%: z>Y  
V/j]UK0$  
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 Q37VhScs  
>40B Fxc  
!'14mN#A  
] =Js5  
简述案例 b0a'Y"oef4  
Z
$R2Z$f  
系统详情 {Y5h*BD>  
 光源 !$q1m@K1  
- 强象散VIS激光二极管 (vIrXF5Dnj  
 元件 'e6W$?z  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ?KxI|os  
- 具有高斯振幅调制的光阑 4'BzW Z;_a  
 探测器 "X']_:F1a  
- 光线可视化（3D显示） W7NHr5RC  
- 波前差探测 ^H+j;
K{5,  
- 场分布和相位计算 bw*
@0;  
- 光束参数（M2值，发散角） p71%-nV  
 模拟/设计 ;(w=}s%]+  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 (4V1%0  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： FV/xp}nz  
 分析和优化整形光束质量 K{VF_S:  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 !DnG)4#  
Q6S[sTKR  
系统说明 X7kJ
WX  
IidZ
-Il  
\h^bOxh  
模拟和设计结果 a@@!Eg A  
;U<)$5  
数值探测器结果 +N[dYm  
MW9B -x  
ej,MmLu~^  
-b@E@uAX/  
|PN-,f{-  
总结 KGUpXMd^Z  
)EO/P+&  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 5q]
u:  
1.模拟 #},]`"n\  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 "!)8bTW  
2.评估 89l_%To  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 F dv&kK!  
3.优化 ~E^EF{h   
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 NQfIY`lt'  
4.分析 se_zCS4Y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 +bm2vIh$  
y<F$@  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 MbnV5b:X  
;_j\E(^%  
详述案例 gb(\c:yg1R  
mC~W/KReA  
系统参数 F__>`Dol  
Cu;X{F'H  
案例的内容和目标 ! # tRl  
n
2#uH  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 glHag"(  
jZv8X5
i  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 @YwaOc_%  
 之后，研究并优化整形光束的质量。
|r-
<t  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 =|3L'cDC  
QHs=Zh
;"  
模拟任务：反射光束整形设置 FA{I S0  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 +G/~v`Bv  
6%S>~L66  
\f66ipZK*  
bf;IJ|v^  
^J% w[FE  
SgXXitg9+  
规格：像散激光光束 zm8m J2s  
?7&VT1  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 9:~,TH  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ZQBo|8*  
0jq&i#yNB  
* n!0  
Zt!l3(*tt  
D"x~bs?V\  
Z<,gSut'Y  
规格：柱形抛物面反射镜 T)C  
                         T[Gz  
 有抛物面曲率的圆柱镜 P`bR;2o  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 g<.8iW 'c  
 曲率半径等于焦距的两倍 NZlJ_[\$C  
bfpW^y  
T!a8c<'V  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） )i!)Tv  
B!tte)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ^d=Z/d[  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） S'@"a%EV  
 离轴角决定了截切区域 0N T3  
t#pY2!/T3  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 3:;%@4f  
"  c  
   fGe{7p6XV*  
+?@qux!  
光束整形装置的光路图 s+CXKb +  
lmc-ofEv  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 qJ!oH&/cD  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 ^#t<ILUa  
blPC"3}3Vd  
反射光束整形系统的3D视图 #&5\1Qu  
<%Rr-,  
Y zvtxX*  
R;.WOies4  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 oaXD^H\  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 2mT+@G  
7r;A wa  
详述案例 plIx""a^h  
AdYQhF##  
模拟和结果 }N|/
b"j9  
>5gzo6j/  
结果：3D系统光线扫描分析 X'F$K!o*,:  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 {vH8X(m  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 "nefRz%j+  
)/pPY  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd UCWU|r<s,  
Arv8P P^'  
使用参数耦合来设置系统 Oxvw`a#  
#3$|PM7,_  
1&As:kv5I  
自由参数： $G}Q}f  
 反射镜1后y方向的光束半径 ;lEiOF+d  
 反射镜2后的光束半径 18HHEW{  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） SYwNx">Bq  
 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。 $3Ia+O   
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 w#$k$T)  
M*HG4(n0  
>dGYZfqD  
%G SSy_c  
Ol@ZH_  
&Os Ritj  
OgnpzN  
自由参数： ]r
m=F]W/n  
 反射镜1后y方向的光束半径 0Q9OQqg m  
 反射镜2后的光束半径 ~>R)H#mP7  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） F{+`F<r  
 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。 BkeP?X  
jdp:G  
G<
eJ0S  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 BYf"l8^,  
iy"Kg]  
e-CW4x  
结果：使用GFT+进行光束整形 iD`XD\.?  
Sx"I]N
  
1hWz%c|  
9 JtG&^*  
*2MTx  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 A&'%ou  
dp70sA!JF  
PsnU5f)`  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 -tdG}Gu  
_@;N<$&  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 7A6sSfPUy  
WGx>{'LJ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： DPx,qM#h5O  
||HIp9(3  
zJ`(LnV  
buXG32;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 6f!mk:\T.  
h_L '_*  
结果：评估光束参数 cg%CYV)  
bl<7[J.  
bg}77Y'^  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 c,wU?8Nc|$  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ^aCYh[
=  
nL!@#{z  
]Dg0@Y  
 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。 sQs5z~#51*  
 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） 2A|6o*s"  
~2431<YV  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd UGt7iT<`8  
.*blM1+6i/  
光束质量优化 <GRf%zJ  
JUFO.m^w  
auW]rwY  
 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。 Kj 8 W  
 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）。 6DW|O<k^j  
G{~p.?f:  
结果：光束质量优化 NGUGN~p  
55b |zf  
pe})A  
 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。 mU$7_7V~  
MlE~gCD  
P;LZ!I  
DG?\6Zh  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ~[q:y|3b  
p9WskYpm  
`kSCH; mwP  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd KBe {  
eE%yo3  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ueBoSZRWX  
x{V>(d'p  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 iQC&d_#  
}{oBKm9_p  
6CRPdLTDf  
 这意味着参数变化是的正态 12xP)*:$  
]?$y}  
-yGm^EwP  
{WOfT6y+  
SkRQFm0a~  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 K0=E4>z,`q  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 wLe&y4  
\<x_96jt!\  
R6mJFE*6T9  
0]W]#X4A  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run VDjIs UUX  
B^~Bv!tHWr  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） vcU\xk")  
@~G`~8   
Atq2pL"  
GS
nHxs)  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 )ZyuF(C&  
>/kG5]zxY  
总结 'N ::MN  
psy(]Pf  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 P\6T4s  
1.模拟 |Umfq:W`y_  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 KqUSTR1e[  
2.研究 T KL(97)<  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 k:)u7A+  
3.优化 :42;c:85  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 y"L`bl A9}  
4.分析 OrJlHMz  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 lT!$\E$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。 FK >8kC  
)u/ ^aK53^  
参考文献 `Mp7})  
[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).
D4]B>  
,W8Iabi^  
进一步阅读 MGKeD+=5  
seU^IC<  
进一步阅读 $SGA60q  
 获得入门视频 %R*vSRG/U  
- 介绍光路图 )u)$ `a  
- 介绍参数运行 }d\Tk(W  
 关于案例的文档 c1AG3Nb  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens [67E5rk-  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens :`^3MMLO  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ^pV>b(?qw  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair