[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） (I+-wki"e  
J^W.TM&q$,  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 *= D$  
S*]IR"YL  
tsk}]@W  
pUPb+:^R  
简述案例 }l/md/C0  
z#\Z
|OKU  
系统详情 z(]*'0)P  
 光源 XI0O^[/n{  
- 强象散VIS激光二极管 JvUKfsnu{  
 元件 87HVD Di  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） lDH0bBmd0  
- 具有高斯振幅调制的光阑 o+nU{  
 探测器 m
}XI?[!s  
- 光线可视化（3D显示） l5R H~F  
- 波前差探测 w7 QIKsI0  
- 场分布和相位计算 $'&5gFr9  
- 光束参数（M2值，发散角） 8'?e4;O  
 模拟/设计 7e40
}n
 
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 06ueE\@Sg  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： [$./'-I]  
 分析和优化整形光束质量 _#
L IG2d  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 dFUsQ_]<  
*s!8BwiE  
系统说明 & =frt3  
1jV^\x0  
lfGiw^  
模拟和设计结果 & .#0jb1r  
2`lit@u&u  
数值探测器结果 Zj},VB*T  
['c:n?  
|e9}G,1  
Og,,s{
\  
MLR3A s  
总结 3QF!fll^  
H7{ 6t(0j  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /,;9hx  
1.模拟 QQ?` 1W  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 s=6w-'; V  
2.评估 >2wjV"W?  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 #v v k7  
3.优化 6 o+zhi;E  
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。 eF2<L[9  
4.分析 p<![JeV  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 6IvLr+I  
rbJ-vEzo.#  
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。 O" z=+79q  
I*24%z9  
详述案例 O
aZ~  
v5*SoUOF  
系统参数 *m|]c4  
FV^kOz  
案例的内容和目标 VE GUhI/d  

r67 3+  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ;%%=G;b9  
5%W3&F6%  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 `yVJ `}hm  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 *|4~ 0w
 
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 %;zA_Wg  
R{*p\;  
模拟任务：反射光束整形设置 G q:7d]c~T  
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。 '[A>eC++  
."h;H^5  
nGP>M#F  
gHm
^@  
#4|?;C)u\  
@@I2bHyvb  
规格：像散激光光束 )JZfC&,  
}b+=,Sc"  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 J"SAA0)@  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 -Y+[`0$'  
G&;W  
Y@pa+~[{h3  
S4tdWA  
iPs()IN.O  
6b)1B\p  
规格：柱形抛物面反射镜 kDm=Cjxv  
                         D9Q%*DLd$_  
 有抛物面曲率的圆柱镜 @4&sL](q  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 bb#w]!q  
 曲率半径等于焦距的两倍 air{1="<-  
))+R*k%  
'9b<r7\@  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 3"<{YEj8U  
N-5lILuJJ  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Pl 5+Oo  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） mT~:k}u~W  
 离轴角决定了截切区域 m2 OP=z@)  
(apAUIE  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 0tl  
yyZjMnuD  
   B]kz3FF  
c[Y7tj%y  
光束整形装置的光路图 6v.*%E*P  
< 'T6k\  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 !.F`8OD`u  
 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。 id*UTY Tg  
8rw;Yo<
k  
反射光束整形系统的3D视图 H,?AaM[V  
s=28.  
o{:D  
##FN0|e&  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 (?~F}u v  
 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）。 X3q'x}{  
gBrI
qM i5  
详述案例 %Uuhi&PA-l  
jd~r~.y  
模拟和结果 w\85D|u  
Amz7j8zJ  
结果：3D系统光线扫描分析 t6j(9[gGq  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ,Kdvt@vle  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 c?[A  
bu\,2t}B  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ncu> @K$n  
B9+oI cO  
使用参数耦合来设置系统 l&E-H@Pe  
/X8b=:h  
o%CBSm]  
自由参数： ;g?5V  
 反射镜1后y方向的光束半径 \z<'6,b  
 反射镜2后的光束半径 d<!bE(  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0PTB3-  
 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。 t7n*kiN<q  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 $yOfqr  
N7
Dm,Q]  
KJSN)yn\  
UD"e:O_  
~Ge-7^Fo7  
lQ)ZsFs=  
"i9$w\lm  
自由参数： jtl7t5
9R  
 反射镜1后y方向的光束半径 8a"aJYj  
 反射镜2后的光束半径 oXfLNe6>L  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） v%B^\S3)  
 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。 5>/,25 99  
{Uu7@1@n  
b) .@ xS  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 <r9J+xh*p  
1jQz%^~  
p`XI(NI  
结果：使用GFT+进行光束整形 H@OYtPHGR  
u:fiil$  
6ffrV  
S1zV.]  
1\_4# @')  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 i7*4hYY  
m<r.sq&;  
sL[,J[AN;  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 1<pbO:r  
-s4qm)\  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 7?B]X%  
Ks9"U^bPs  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： b\H~Ot[i  
5(TI2,4  
KJJ8P`Kx  
mtmtOG_/=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd BDc*N]m}B1  
Pxy(YMv  
结果：评估光束参数 g9
p#v$V  
NCX!ss  
tUL(1:-C  
 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。 l$MX\  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 [WC-EDO2lb  
Ow mI*`  
SIzW3y[  
 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。 #%B1,.A  
 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） rOH8W  
 =DvnfT<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Q]7r?nEEhW  
6BNOF66kH  
光束质量优化 ,8EeSnI  
Cz m`5  
]r6,^"  
 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。 n%@xnB$ZX  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 &c?-z}=G  
)vhHlZ *+  
结果：光束质量优化 lOcvRF  
HI)ks~E/  
u!X[xe;  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 e#SNN-hKsJ  
Xpjk2[,  
+X"TiA7{j  
Qx'a+kLu9  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
;]+kC  
=-`X61];M  
@N"h,(^  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd + ECV|mkk  
a'XCT@B  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Y |n_Ro^~  
x>p=1(L  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 J1P82=$,  
86.!sQ8b  
6HF
A2~A  
 这意味着参数变化是的正态 ${0Xq k  
UYGl  
B5P++aQ  
[t,grdw  
FL"IPX;
S  
 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。 |&h!#Q{7l  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 pBh[F5  
h$4V5V  
#](ML:!  
zxTm`Dh;[
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 6D_4o&N  
SQWA{f  
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） u
Wvl<{2  
9O~1o?ni  
Z;SRW92@  
0XvMaQXQF  
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。 y/4 4((O  
!V7VM_}@Y  
总结 ~)Ny8Dh  
 Js'COO  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <@(HQuL#  
1.模拟 5H""_u
w  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 l{_>?]S5  
2.研究 (;V]3CtU*  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 DZ(e^vq  
3.优化 z| i$eF;x3  
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。  @X  
4.分析 #^%Rk'W  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ezC55nm  
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。 dcYUw]  
RkP7}ZA;  
参考文献 t.485L%  
[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). ,t(y~Z wJ  
BY32)8SH  
进一步阅读 f+-w~cN  
64hr|v  
进一步阅读 gXc&uR0S  
 获得入门视频 /,c9&it(M  
- 介绍光路图 (y=P-nm  
- 介绍参数运行 AbcmI*y  
 关于案例的文档 DyYl97+Z?  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens <b{Le{QJ*  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens VL7zU->  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 71w  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair