[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） NH<~BC]I  
;r}yeISf  
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 dWP<,Z>  
(,D:6(R7t  
O>d [;Q  
et=i@PB)  
简述案例 ;)q"X>FMZe  
rgF4 W8  
系统详情 4{ [d '-H5  
 光源 =
wlPm5  
- 强象散VIS激光二极管 nh+Hwj#(x  
 元件 dP?QPk
y{9  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） _R}yZ=di  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Id=V\'$o  
 探测器 .'b|pd  
- 光线可视化（3D显示） F *1w8+  
- 波前差探测 + />f?+  
- 场分布和相位计算 ?5;N=\GQ  
- 光束参数（M2值，发散角） BS3{TGn  
 模拟/设计 !8&EkXTw,  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 F+!9T  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 8^67,I-c  
 分析和优化整形光束质量 Aw&0R"{  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 NueuCiP  
.'NTy R  
系统说明 <R?S  
og&-P=4O  
7^C&2k5G  
模拟和设计结果 Dt\rrN:v  
gv){&=9/  
数值探测器结果 Y h53Z"a  
5\}E4y  
Tj+U:#!!~  
ueEf>0  
Lngf,Of.e  
总结 7^syu;DT9Y  
H5*#=It  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 k
*D8IB  
1.模拟 )iid9K<HB  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 BjGfUQ  
2.评估 5fRrd;  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 A4(k<<xjE  
3.优化 l,Fn_zO  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 7Ah   
4.分析 ]Ljb&*IEj  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bu-6}T+  
n6G&c4g<"  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 eAStpG"*  
Tv6y+l  
详述案例 Yr>0Qg],  
DF UTQ:N  
系统参数 \01kK)  
bGkLa/?S  
案例的内容和目标 )+ 'r-AF*  
t+K1ArQc  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 d2TIG<6/  
Uq~b4X$  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 p{:y?0pGN  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 T8&eaAoo  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Q @[gj:w  
zszmG^W{  
模拟任务：反射光束整形设置 }9glr]=  
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。 ;&'ryYrex  
ZH*h1?\X  
sVGQSJJ5  
\&~YFjB  
uUV"86B_  
+25=u|#4r  
规格：像散激光光束 bYZU}Kl;(  
>; tE.
CJH  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 OCq5}%yU&i  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 &SNH1b#>E  
G:y+yE4  
Sk)lT^by  
29CzG0?B  
0Lb{HLT  
c{ +bY.J  
规格：柱形抛物面反射镜 9|[uie  
                         z'Z[mrLq  
 有抛物面曲率的圆柱镜 y?P`vHf  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 O&&_)  
 曲率半径等于焦距的两倍 E m^Dg9  
-Sn'${2  
TI\xCIH  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 2i;ox*SfpU  
cA|vH^:  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 gFrNk Uqp  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） >]&Ow9-  
 离轴角决定了截切区域 Yi)s=Q:  
8e^uKYR<  
规格：参数概述（12° x 46°光束） .gzfaxi  
G "!v)o  
   g<,0kl2'S  
O1)\!=& .  
光束整形装置的光路图 ez.a  
6GPI gPL,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Jp%5qBS^
 
 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。 z1 MT@G)S$  
+ d
3  
反射光束整形系统的3D视图 <VQ)}HW;k  
uv<_.Jq]  
.Gvk5Wn  
hqlQ-aytS  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 i;s;:{cn  
 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）。 U8y?S]}vo  
\G7F/$
g  
详述案例 A<"<DDy  
$evuL3GY#  
模拟和结果 c#"t.j<E}  
2%6 >)|  
结果：3D系统光线扫描分析 >KvK'Mus/  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 y Vm>Pj6  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 -{8K/!  
XPD1HN!,LT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd EApbaS}Up  
@SpP"/)JY  
使用参数耦合来设置系统 K
1BBCe  

J|DZi2o  
%>_6&A{K,d  
自由参数： qk3|fW/-  
 反射镜1后y方向的光束半径 9=3DYCk/  
 反射镜2后的光束半径 %D8.uGsh  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Ox&G  [  
 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。 QIevps*  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 .|5$yGEF_+  
ed}#S~4q  
*B}O  
.RJMtmp  
6]d]0TW_  
3Jlap=]68S  
_oCNrjt9  
自由参数： Qni`k)4  
 反射镜1后y方向的光束半径 h9CTcWGt  
 反射镜2后的光束半径 &KAe+~aPm  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 6h,!;`8O  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 {GLGDEb  
H?8'(  
D9A%8o  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 i,a"5DR8  
#Xox2{~  
X!^|Tass  
结果：使用GFT+进行光束整形 }aR}ZzK/v  
{&mHfN  
K)~aH  
fz:(mZ%  
\#t)B J2  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 o0f`/ 6o  
u;-fG9xs  
F]?] |nZZ  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ]VLseF  
Zx_^P:rL  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 @`:X,]{  
o!KDeY  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： L*[3rqER  
->{-yh]jv  
@x+2b0 b  
@r/~Y]0Ye5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd M?%x=q\<  
uHSnZ"#  
结果：评估光束参数 `(0B09~7  
?zm]KxIC  
2a48(~<_  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 @;P ;i
I  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 #IM.7`I  
tLa%8@;'$  
~Ss,he]Er  
 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。 jJNCNH*0  
 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） 35e{{Gn)v  
^zQI_ydG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd yvoz 3_!  
o5?Y   
光束质量优化 II}M|qHaK  
s) shq3O  
[A!w  
 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。 Dz6xx?  
 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）。 /0XMQy  
pLtw|S'4  
结果：光束质量优化 +)"Rv%.  
 Q}L?o  
O.(2  
 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。 tj[E!  
r.\L@Y<  

V)>?[  

ngl +`|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。） @i;)`k5b  
uwSSrT  
'1gfXC  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd >9dD7FH  
lt&(S)  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 P$#:$U@  
kY~4AH  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 yEI@^8]s  
Ct w<-'  
,dCEy+  
 这意味着参数变化是的正态 i#`q<+/q  
Oti*"dV\::  
Zob/H+]  
sjg`4^!wDD  
*kl  :/#  
 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。 Wjw,LwB  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 zTw"5N  
=\WF +r]V  
<Kv$3y  
-$Hu$Y}>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run k6;bUOo  
@a?7D;+<  
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） Mz(Vf1pi%  
QkdcW>:a7  
WK>|IgK  
Yg^ &4ZF  
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。 d}[cX9U/  
-SrZ^  
总结 ;mG*Rad  
x?+w8jSR  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 tbd=A]B-  
1.模拟 $s/E}X  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 =Xh)34q  
2.研究 @owneSD qN  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 AAevN3a#nI  
3.优化 :hX[8u  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 TmQIpeych  
4.分析 <h7cQ  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9Rnypzds  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 {_O!mI*  
_s=H|#l  
参考文献 ?dgyi4J?=`  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). k2U*dn"9U  
XVYFyza;  
进一步阅读 }'$PYAf6  
ZD
]1C~)  
进一步阅读 EO&Q  
 获得入门视频 <W"W13*j!  
- 介绍光路图 ^a4z*#IOr  
- 介绍参数运行 ^Co$X+  
 关于案例的文档 vwU1}H  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens t;e&[eg  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens t<!;shH,s  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing bO=|utpk  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair