[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 10t9Qv/  
8
1`-xVd  
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 @=:( b"Sg  
wU+-;C5e  
KxqJlben  
r6JdF!\d  
简述案例 usX aT(K  
BlMc<k  
系统详情 fpu^  
 光源 Qn6'E  
- 强象散VIS激光二极管 94\k++kc  
 元件 8Y_wS&eB  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） =UT*1-yhR  
- 具有高斯振幅调制的光阑 n}}$-xl  
 探测器 7:<co  
- 光线可视化（3D显示） +<7`Gn(n3  
- 波前差探测 ;(5b5PA  
- 场分布和相位计算 ~{/"fTif  
- 光束参数（M2值，发散角） :[A>O(  
 模拟/设计 B^Fe.ty  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 [AA'Ko  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： *;5P65:u$>  
 分析和优化整形光束质量 XcD$xFDZ  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 4'_PLOgnX  
===M/}r  
系统说明 B=8],_  
D% v{[KY  
N D`?T &PK  
模拟和设计结果 S&^i*R4]  
3+ JkV\AF  
数值探测器结果 %a$ l%8j&  
)!+~q!A  
$qO%lJ:  
^M
_0M  

1CX
O=Q  
总结 `o4alK\  
cdY|z]B  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 P+K< /i  
1.模拟 RzgA;ZC'  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 HtFc+%=  
2.评估 ,}?x
!3  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 '~{bq'7`m  
3.优化 V'alzw7#  
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。 J
B[n]|  
4.分析 dX^ ^ @7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 I5Vp%mCY  
8725ET t  
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。 ->_rSjnM{  
kMd1)6%6A  
详述案例 p^J=*jm)x  
t`%Xxxu  
系统参数 K;)(fc  
;@/^hk{A  
案例的内容和目标 KUD&vqx3  
$DS|jnpV  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 M it3q  
z'"e|)  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 VO u/9]a  
 之后，研究并优化整形光束的质量。
'/O >#1  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 L/*D5k%J  
/hF@Xh%hY  
模拟任务：反射光束整形设置 w&F.LiX^  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 p#;I4d G  
{$AwG#kt  
05SK$ Y<<  
,9~=yC  
<b>g^ `}?D  
tleWJR8oc  
规格：像散激光光束 ^GL>xlZ(  
Rq@M~;p  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 CqFk(Td9-D  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 +%sMd]$,n  
#EG$HX]  
*TyLB&<t  
H6/n  
%r =9,IJ  
Ie"eqO!  
规格：柱形抛物面反射镜 (pv6V2i  
                         \0fS;Q^{j  
 有抛物面曲率的圆柱镜 %^KN
Y ;E  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Ah:d2*SR4  
 曲率半径等于焦距的两倍 X:2)C-l?  
T"_f9?  
2]
:Z7Ji  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） nVyV]'-z  
XP%/*a
m  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 rK~Obv  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） i K,^|Q8  
 离轴角决定了截切区域 :q34KP  
;s\ck:Xg  
规格：参数概述（12° x 46°光束） bDtb"V8e  
Wj INY  
   }}b &IA#  
Um%$TGw5  
光束整形装置的光路图 Eg+z(m$M  
HRg< f= oz  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 CNM
pyr  
 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。 B%(-UTQf  
+/U6p!  
反射光束整形系统的3D视图 Lj2Au_5  
}rA _4%  
)(V!& w6  
k#"}oI{< 6  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 6 K-jje;)  
 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）。
/NB;eV?  
K<E|29t^k  
详述案例 ana?;NvC  
0eFvcH:qG  
模拟和结果  j|owU  
_FxQl]@  
结果：3D系统光线扫描分析 (5h+b_eB  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 C^ 1;r9  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 i%# <Hi7  
zlhI\jRdc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~]78R!HJ  
9jf2b  
使用参数耦合来设置系统 q[
5&  
-p*j9 z  
3-4CGSX;X  
自由参数： I?X!v6
 
 反射镜1后y方向的光束半径 QLD
ld[  
 反射镜2后的光束半径 C^fUhLVSZ^  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <2ymfL-q  
 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。 bCmlSu  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 \QP1jB  
eUEO~M2&U{  
JAU:Wqlg1  
s5
&v~I;>e  
&Ef_p-e-P  
Bs;.oK5!n@  
RGz NZc  
自由参数： M?.[Rr-uw  
 反射镜1后y方向的光束半径 ByivV2qd{  
 反射镜2后的光束半径 ~T:L0||.%9  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） i1ss}JJp*  
 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。 ]:n! \G  

]#P>wW  
|YWX.-aeo  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 {Ax{N  
50HRgoP5Y  
YdF\*tZ  
结果：使用GFT+进行光束整形 ]}A3Pm- t*  
|P`:NAf2  
B`/p

[U5  
bFwc>  
%Kc2n9W  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 a9niXy}a(  
X%]m^[6  
"FH03
9  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 v6*8C
Q+  
=N<Z@'c  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 m8NKuhu  
]x^v;r~  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： n81z0lnr  
|iGfWJ^+  
<p\iB'y  
ofHe8a8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \Ss6F]K]  
rFU|oDF  
结果：评估光束参数 +Q!  
2Pic4Z  
6R';[um?q  
 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。 {n-6e[  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 _H)>U[  
+9[s(E?SY  
'.1_anE]  
 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。 .vk|aIG  
 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） Dfl%Knl@J  
5$Da\?Fpn  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd q8[I` V{  
mIm.+U`a2  
光束质量优化 HZEDr}RN  
*Rj(~Q/t  
;.|).y1/`  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 <
(<IRCR  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 #azD&6`  
Kfk/pYMDq  
结果：光束质量优化 fFNwmH-jv  
iES?}K/q  
Avr2MaY{h  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 Z0Df~ @  
<P#]U"?A  
9~6)u=4sS"  
 b@m\ca  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 1GI/gc\  
j_Qkw ?  
q;L~5q."E  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd z-;2)RkV2  
|)+;d  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 h4lrt  
CF_pIfbaf  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ExJexjOWI^  
9e>Dqlv  
w|0w<K  
 这意味着参数变化是的正态 [(PD2GO+  
60@]^g;$I  
>YuiCf?c7  
6|AD]/t^K  
N]iu o.  
 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。 !i77v, (#|  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 eV)'@8p
 
QfHO3Y6h[  
qmWn$,ax  
JOvRUDZ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run yo@S.7[/  
Ihn+_Hu  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） (M,IgSn9  
oGXndfd"  
Hd9vS"TN]  
]> 36{k]&  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 P}RewMJ$L  
:^[HDI-[2  
总结 !&b wFO>P  
2qkZ B0[  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @ky<5r*JU(  
1.模拟 Fo@cz"%  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 32KL~32Y  
2.研究 T_=iJ: Q  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 SB#Y^!  
3.优化 Y&JK*d  
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。 do>,ELS+m  
4.分析 oR_qAb  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 F:B8J4/  
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。 {ICW"Rlcs  
~qP_1() ?  
参考文献 {Z^ G]@  
[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). j68_3zpl  
cEc_S42Z  
进一步阅读 U1!#TD)@  
r3_O?b  
进一步阅读 ~R!M.gY[rK  
 获得入门视频 B=p6pf  
- 介绍光路图 2V6kCy@V  
- 介绍参数运行 4`M7 3k0  
 关于案例的文档 ]:X# w0UR  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens N(W;\>P  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens HZDeQx`*s  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Ub_!~tb}?  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair