[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） %u_dxpx  
9%"`9j~H>  
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 k7;i^$@c  
T,rRE7  
r4DHALu#)  
!n P4S)A  
简述案例 ^SKHYo`,,N  
-sZb+2tDa  
系统详情 nMfR<%r  
 光源 { 0&l*@c&  
- 强象散VIS激光二极管
,<)D3K<  
 元件 j"aY\cLr t  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） BV }CmU&DA  
- 具有高斯振幅调制的光阑 E_DQ.!U!o  
 探测器 c:&8B/  
- 光线可视化（3D显示） RyG6_G}  
- 波前差探测 }.Z`   
- 场分布和相位计算 t|hc`|  
- 光束参数（M2值，发散角） 5E1`qof  
 模拟/设计 *Uj;a.  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 w0lgB%97p  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： pe2:~}WB  
 分析和优化整形光束质量 H(P]Z~et  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 sQ,xTWdj  
QB!_z4UJ_;  
系统说明 .4tu{\YX  
gx',K1T  
i$Kx@,O8t  
模拟和设计结果 <hiv8/)?  
H{,1-&>|  
数值探测器结果 D,[Nn_N  
II|;_j  
@ =~k[
o  
8ih_S2Cd  
Ui"{0%  
总结 *Egg*2P;"Q  
s}OL)rW=}  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 a$Y{ut0t(  
1.模拟 Wf"GA i  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 w,vnpdT  
2.评估 !<HMMf,-D  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 .%e>>U>F  
3.优化 q5=,\S3=  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 (a8iCci:   
4.分析 r|DIf28MIq  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 CfP-oFHoQ  
!ehjLFS?_  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 eOF*|9  
.5o~^  
详述案例 W;2J~V!c  
F[yofRN  
系统参数 nK
S*y*  
6Aq]I$  
案例的内容和目标 zow8 Q6f  
,d38TN  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 0XCAnMVo  
Z|Rc54Ct  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 jll:Rh(b  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 g3&nxZ  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 n7K%
lj-.P  
9T5 F0?qd  
模拟任务：反射光束整形设置 ^>Z_3{s:$  
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。 zPqJeYK  
fW+"Kuw  
{ +w.Z,D"  
4:NMZ `~  
M!Ao!D[  
9?hZf$z  
规格：像散激光光束 :i?6#_2IC  
[~ 2m*Q  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 D6Aa5&rO+  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 `4'=&c9  
%A'mXa
tk  
[BJzZ>cY  
FGHCHSqLq  
"``>ii  
DC*MB:c#U  
规格：柱形抛物面反射镜 JfSe; v  
                         .!0Rh9yyl  
 有抛物面曲率的圆柱镜 jQ3dLctn  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 pC,[!>0g8  
 曲率半径等于焦距的两倍 *->*p35  
rC_1f3A  
K
maz"6A  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） gggD "alDx  
.x,y[/[[)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 XWS]4MB+vm  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） YSt*uOZK  
 离轴角决定了截切区域 `G\Gk|4;2  
saiXFM7J  
规格：参数概述（12° x 46°光束） MJ?t{=  
YCltS!k  
   )AkBo  
n:/!{.  
光束整形装置的光路图  d9k`  
X5/fy"g&  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 9]lI?j]o  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 axvZA:l  
Y`]P&y  
反射光束整形系统的3D视图 *1kFy_Gx  
C/Z#NP~ *  
t :YZua  
K=0xR*ll5  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 /KOI%x  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 5wx~QV=Hh  
fb`x1Q  
详述案例 d%qi~koN_  
c:0n/DC  
模拟和结果 :23S%B~X  
/fb}]e]N  
结果：3D系统光线扫描分析 iTAj${ >  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 E!1\9wzM{  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 e_Hpai<b  
 W;7$Dq:  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd K 'l-6JY-  
j]kgdAq>  
使用参数耦合来设置系统 "zY~*3d  
8\P,2RSnt  
$zCCeRP  
自由参数： L%Zr3Ct  
 反射镜1后y方向的光束半径 ddKP3}  
 反射镜2后的光束半径 \ .#Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） &gr 8;O:0  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 rD <T  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 |}:}14ty  
Oo;]j)z  
KMy"DVqE  
_";w*lg}  
& tT6.@kH  
hO$Gx*e$  
WM|G/'q  
自由参数： @H#Fzoo.  
 反射镜1后y方向的光束半径 tkk8b6%h?p  
 反射镜2后的光束半径 sS ?A<D  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） q
1u$Sm  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 V~KWy@7  
%<DdX*Qp  
v.8kGF  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 {f`Y\_r$@  
#2%V  
l VD{Y`)  
结果：使用GFT+进行光束整形 #N`G2}1J  
tDL.+6/  
C=o-3w  
k;cX,*DIn  
TPBQfp%HU  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 9yTdbpY  
]N]Fb3  
Pah@d!%A  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 WcSvw  
PZ6R+n8  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 }[
z7V  
 N#9N ^#1  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 6T4DuF  
5&p}^hS5  
.-HM{6
J  
azIhp{rHw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd $Q#n'#c  
Z+U -+eG  
结果：评估光束参数 FNraof @Oy  
4Us,DS_/  
H[?S*/n,<  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 dh6kj-^;Cf  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 "AjC2P],  
j"~"-E(79  
08jk~$%  
 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。 LbJf5xdi  
 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） ^g(qPtQ  
Mn&_R{{=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $t& o(]m  
6 M:?W"  
光束质量优化 L"9Z{o
7  
30WOH 'n  
#J/RI[a  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 FYFlh^}  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 `~d7l@6F  
rZ(#t{]=!  
结果：光束质量优化 q)?!]|pZ  
BJ3<"D{.*4  
*ezMS   
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 `-U?{U}H  
|(W04Wp"@  
Kh=\YN\E<  
R%n*wGi_6b  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） HTiLA%%6  
+`"Tn`O  
]SAY\;,_  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Q{S
{|.w-  
tQNc+>7k+u  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 NGi)Lh|  
nl(GoX$vRQ  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 QhRz57'  
'C7R* P  
Xg
Vhb<l_  
 这意味着参数变化是的正态 6FUcg40Y  
r$4d4xtK  
5V(#nz  
PJm@fK(j  
j< h1s%  
 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。 V[%IU'{:  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 *iru>F8r:  
 I*f@^(  
`Mg3P_}=  
#'f5owk>,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run iu<Tv,{8  
4w9=z,  
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） o@PvA1  
4s%zvRu  
]vR Ol.  
uAnL`
 
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。 JP"#9f  
F> Ika=z,  
总结 /#{~aCOi)  
Q~f]?a`  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1Z_w2D*  
1.模拟 fO5L[U^`  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 {I0!q"sF  
2.研究 jT0iJ?d,!  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 \rh+\9(  
3.优化 }+`,AC`RM  
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。 :8bq0iqsV  
4.分析 f:P;_/cJc  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 d^~yUk  
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。 #sF#<nHZ  
ncUhCp?'  
参考文献 `%Kj+^|DS  
[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). ZB$yEW]]~  
& \5Ur^t  
进一步阅读 Lfa&JKd  
m7A3i<6p  
进一步阅读 J<"Z6 '0v  
 获得入门视频 =7kn1G.(  
- 介绍光路图 i,RbIZnJ  
- 介绍参数运行 sT iFh"8d>  
 关于案例的文档 NODg_J~T  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens OiC|~8  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens nip*Y@-F  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ^f(El(w  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair