[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0）
E<3hy  
`8F%bc54iw  
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 ay2 m!s Q  
oHmU|  
!oU$(,#9  
Ep}KIBBO  
简述案例 Z'GOp?  
0k5Zl?  
系统详情 h<*l=`#  
 光源 *DX6m  
- 强象散VIS激光二极管 ,_T,B'a:  
 元件 O0"i>}g4  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） )_T
[thf]  
- 具有高斯振幅调制的光阑 1fL@rR  
 探测器 uNnwz%w  
- 光线可视化（3D显示） qH6DZ|  
- 波前差探测 -8tWc]c |4  
- 场分布和相位计算 rsfA.o  
- 光束参数（M2值，发散角） 5;V#Z@S  
 模拟/设计 4j!MjlG$  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 v,RLN`CID  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： o})4Jt1vj  
 分析和优化整形光束质量  zUqiz  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 8'*z>1ZS5  
TE*$NxQ 2  
系统说明 Ta!.oC[  
H/Goaf%  
UhY )rezh  
模拟和设计结果 'N5qX>Ob  
q4 'x'8  
数值探测器结果 Ii*v(`2b  
$X9Ban]  
1l\O9D +$  
ok'0Byo  
1q~U3'l:$  
总结 fB"3R-H?O  
c0<Y017sG  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 dqUhp_f2qK  
1.模拟 xbo-~{  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 l4F4o6:]n  
2.评估 |gxU;"2`5~  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~<v.WP<:  
3.优化 p/lMv\`5  
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。 }#<Sq57n  
4.分析 [p!C+|rro  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 N,'JQch},8  
1y0.tdI(  
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。 FPMhHHM  
Z6>:
k,-Ot  
详述案例 =oT@h 9VI  
~uC4>+dk  
系统参数 yc]ni.Hz  
6{azzk8  
案例的内容和目标 UUb!2sO  
bq[Q  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 EemKYcE@Nr  
W%Rh2l  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 -#gb {vj  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 8ZG'?A+{  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 o,\%c"mC  
O|y-nAZgU  
模拟任务：反射光束整形设置 P603P  
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。 .j}u'!LKul  
a' #-%!]  
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Bf'jXM{-  
'b661,+d  
K:y q^T7  
规格：像散激光光束 ]; ^OY\,  
=53LapTPJ  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 i+&="Z@  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 'R]Z9h  
RX2= iO"  
'hya#rC&(  
{f^30Fw  
[PX'Jer  
V'K$:9^x[8  
规格：柱形抛物面反射镜 Jh466; E  
                         HENCQ_Wra  
 有抛物面曲率的圆柱镜 C4 Wdt  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 G=nFs)z  
 曲率半径等于焦距的两倍 M0]l!x#7  
29qQ3M?  
FJU)AjS~  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） IB!Wrnj?  
<q[*kr  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 EL}v>sC  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） `=KrV#/758  
 离轴角决定了截切区域  v$tS2N2  
HqF8:z?v  
规格：参数概述（12° x 46°光束） A+F-r_]}db  
~ml\|  
   wj'iU&aca  
e0$m
u?wd-  
光束整形装置的光路图 xrX("ili  
so8-e  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 hYWWvJ)S  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 RDqC$Gu  
YKx0Zs  
反射光束整形系统的3D视图 H~G=0_S  
F_r eBPx  
%@xYg{  
kW:!$MX!  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 yv:NH|,/y  
 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）。 B0KM~cCPQP  
`nM4kt7  
详述案例 hqds T  
* ;M?R?+  
模拟和结果 ]Aluk|"`U  
}>1E,3A:%G  
结果：3D系统光线扫描分析 iIF'!K=q  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 (i?^g &  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 uB^]5sqfk  
K5ph x  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .^NV e40O  
jF5JpyOc  
使用参数耦合来设置系统 U^YPL,m1  
gU%GM  
Y~:7l5C  
自由参数： ""a8eB6  
 反射镜1后y方向的光束半径 *&P
gDAQ  
 反射镜2后的光束半径 ri^yal<'  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） $-0u`=!  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ~k%\ LZ3s  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 0x &^{P~  
PaZYs~EO  
Iymz2  
#Nd+X@j  
C,]Ec2  
' #mC4\<W8  
z[rB/|2  
自由参数： zKutx6=aj  
 反射镜1后y方向的光束半径 >6dgf
`U  
 反射镜2后的光束半径 Mzd}9x$'J  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） *,p
qpD>  
 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。 `2oi~^.  
?l(hS\N,  
B::?  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 +W1rm$Q  
&Xav$6+Z1J  
TGLXvP& \  
结果：使用GFT+进行光束整形 W{h7+X]Y  
DNy)\+[  
FN R& :  
O`=Uq0Vv  
[Wh 43Z  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 21[F%,{.),  
]5\vYk  
<*+MBF  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 6xe |L  
O+N-x8W{  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 sm
U+:~  
7ou^wt+%  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ZZ(@:F  
1:t>}[Y  
34=0.{qn  
bsm,lx]bH^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 9wC; m:  
Xy{+=UY  
结果：评估光束参数 h]#)41y<  
P33E\O  

xlLS`  
 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。 _biJch  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 )3AT=b  
MlZ`g,{  
&}cie"\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。 gg(U}L ]:  
 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） "->:6Oe2   
qHCs{ u  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd kXr%73s  
*`#,^p`j b  
光束质量优化 u_BSWhiW  
l_c?q"X  
UVK"%kW#(  
 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。 m"R(_E5  
 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）。 {/<&  
qpl5n'qHUc  
结果：光束质量优化 K^Ht$04  
MQ44uHJ  
F 4/Uu"J:  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 Sg-xm+iSDt  
eXK`%'  
?=kswf  
:3f2^(b~^  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） C)
j)j&  
{rZ"cUm  
"tM/`:Qp  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd }Kt?0  
Kcl$|T  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 N+5^h(~  
16|S 0 )  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ~\ f^L?m  
w>uZ$/  
J|-HZ-Wk|J  
 这意味着参数变化是的正态 F]YKYF'1I  
Ef.4.iDJrR  
\
]xYV}(FO  
U[l%oLr
a  
(, "E9.  
 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。 k5D'RD  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 KU,w9<~i(  
$x;h[,y   
%%6('wi  
moR2iyO_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 2(Uz9!<V  
31& .Lnq  
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）
j_@3a)[NY  
C4]%p
i  
'qAfei']  
RFY!o<   
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。 YS~t d+*  
)H)Udhz  
总结 'V#ew\  
w9$8t9$|  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 % Au$E&sj  
1.模拟 % VpBB  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 <C;>$kX  
2.研究 "R@N|Qx'  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 a +yI2s4Z  
3.优化 UUu-(H-J  
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。 x9l0UD*+g  
4.分析 vN:[  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 <0)ud)~u  
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。 ?K {1S  
Wxau]uix  
参考文献 ?7)(qnbe"  
[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). ^!o}>ls['  
8zDH<Gb  
进一步阅读 BK9x`Oo2  
D1~x  
进一步阅读 $'YKB8C  
 获得入门视频 Xj~EVD  
- 介绍光路图 P 4*MV  
- 介绍参数运行 #Jz&9I<OKx  
 关于案例的文档 P<!$A  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 7G(f1Y  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 5;8B!%b  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing NLZZMr  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair