[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 2n9E:tc  
qU'O4TWZ  
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 \X'{ ee  
F-^#EkEGe  
hb6UyN  
.kBZ(`K  
简述案例 &DqeO8?Q  
G4jaHpPi  
系统详情 nUAs:Q  
 光源 ]t69a4&,#9  
- 强象散VIS激光二极管 >3S^9{d  
 元件 Iw?
M>'l  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ++s=$D  
- 具有高斯振幅调制的光阑 #>SvYP  
 探测器 o'W[v0> L-  
- 光线可视化（3D显示） Q7
ez?]j6  
- 波前差探测 WSdT
P$?  
- 场分布和相位计算 =uZOpeviQ  
- 光束参数（M2值，发散角） y.zS?vv2g  
 模拟/设计 u>G#{$)  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 . Q#X'j  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Q%xvS,oI  
 分析和优化整形光束质量 |JpLMUG  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 HiBw==vlV  
4eSV(u)4  
系统说明 x)X=sX.  
x5Sc+5?*  
5"f')MKUV9  
模拟和设计结果 ZaCUc Px  
+^St"GWY  
数值探测器结果 4= VAJ  
zc<C %t[~y  
k^|P8v+"D  
YN\!I  
`-l,`7e'  
总结 E7eOKNVC#  

QyJ2P{z  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~Wq[H  
1.模拟 0Ey*ci^ue  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ub
|tX 'o  
2.评估 w[>/(R7im  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Az_s"}G  
3.优化 $-dz1}  
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。 q4XS E,  
4.分析 LB<,(dyh  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ^cYm.EHI  
*"N756Cj  
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。 OUY65K  
+U(m b  
详述案例 */B-%*#I.  
JW!SrM xF  
系统参数 MQR@(>TZy  
O87Ptr8  
案例的内容和目标 fJ[(zjk  
3P1OyB
 
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Pv.z~~lY  
[.}-nAN  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Q3SwW  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 'F'v/G~
F  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Z8\c'xN  
Z8??+d=  
模拟任务：反射光束整形设置 Z3K~C_0Cnu  
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。 e[t+pnRh  
b469  
tlU&p'  
ER:)Fk>_  
j HT2|VGb*  
X@u-n_  
规格：像散激光光束 |V2+
4b,  
IrU}%ZVV  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 hSmu"a,S  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 L0{ehpvM  
Ly?yWS-x  
JF
x=X=C  
*)c,~R^  
2M>Y3Q2Yv  
(il
U<Ht  
规格：柱形抛物面反射镜 =N-,.{`  
                         ,Yg<Z1  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ;mV,r
,\dH  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 [c@14]e  
 曲率半径等于焦距的两倍 *N"bn'>3  
RHo|&.B;+  
9,|&+G$  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） J7R+|GTcx  
pQaP9Y{OK  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ,*fvA?  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） .S&S#}$/]  
 离轴角决定了截切区域 :('7ly!h  
\*#9Ry^f  
规格：参数概述（12° x 46°光束） /8baJ+D"4\  
,4ftQJ  
   X*Mw0;+T  
8
H_3.MK  
光束整形装置的光路图 ruM16*S{=  
;8UHnhk_O  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 CUOxx,V  
 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。 y: @[QhV  

9 |Iq&S  
反射光束整形系统的3D视图 rvRtR/*?j  
9V&%_.Z
 
mqGp]'{  
>a98H4  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 I(E1ym  
 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）。 {\G4YQ  
9viQ
<}K<  
详述案例 *B(na+  
%p?u ^rq  
模拟和结果 7SE=otZ>  
B[F,D  
结果：3D系统光线扫描分析 vB, X)  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Qz;2RELz  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 95giqQ(N  
|MvCEp  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd z#b31;A@$  
Zs!)w9y&V  
使用参数耦合来设置系统 @*W,Jm3Y  
FA\gz?h  
OL*EY:]  
自由参数： "(ehf|%>%  
 反射镜1后y方向的光束半径 )K\w0sjR  
 反射镜2后的光束半径 _$"qC[.  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） @)iv'  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 -nG3(n&wB  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 S~`&K  
m*h
d%1D  
%(b`i C9  
<'QHe4  
,%
X~/V  
xmZ]mu,,$  
s,ZJ?[/  
自由参数： mfLS</A  
 反射镜1后y方向的光束半径 4O[T:9mn0  
 反射镜2后的光束半径 >L?)f3_a  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） \}t(g}7T  
 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。 cYdk,N  
r: n^U#  
XXacWdh \  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 3/o-\wWO  
j2"jCv  
<R}(UK  
结果：使用GFT+进行光束整形 6gfv7V2H  
he&*N*of:  
XbYW,a@w2  
&| el8;D  
d$g-u8  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 OUn,
URI  
GWRKiTu9  
N5[QQtQ  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 <LQwH23@  
RUm1;MWs  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Z<z(;)?c  
o6K\z+.{  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： d_Ll,*J9  
%1a\"F![  
CD%wi:C%|  
QNzI  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ~j",ePl  
mYXe0E#6  
结果：评估光束参数 ^.Vq0Qzy]  
OOs Y{8xM  
~oz8B^7i;  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 8$-(%  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 bl(rCbj(w  
UyBI;k^]  
>Rs:Fw|jro  
 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。 CHv~H.kh'  
 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） j*<H18^G  
-?'r_
t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd [F%INl-sy  
WMZ&LlB%  
光束质量优化 ^KhA\MzY  
Af1mTbf=  
l~Hs]*jm  
 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。 V9NE kS  
 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）。 2ksX6M3kY  
]$!-%pNv  
结果：光束质量优化 ] 7_ f'M1F  
C4&yC81Gm  
`] ;*k2  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 X0+$pJ60  
p ElF,Y  
6:i{_YX(.S  
J7/"8S_#N  
 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。） Q3u P7j  
4!,x3H'  
ihBlP\C  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd BV"7Wp;  
(S* T{OgO  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 %f
nL  
IQf:aX  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 i]a 5cn  
M%5qx,JQY  
&]3_ .C  
 这意味着参数变化是的正态 ?<b
Byxa  
TZTi:\nS  
b=horvs/!  
Hly2{hokq  
='a[(C&Y  
 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。 yt}Ve6 m  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 L,M=ogdb  
pca `nN!  
&eKnLGKD  
URdCV{@42  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run =<MSM\Rb  
4*< x0  
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） ET;YAa*  
WM$}1:O
 
Pky/fF7e  
p
;zV4uSv  
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。 b(+M/O>I  
=7wI/5iN  
总结 <]xGd!x$  
9`VgD<?v  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 0+%{1JkJq  
1.模拟 6^y*A!
xY  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ]Qm$S5tU  
2.研究 )0UVT[7  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9z6-HZG'~<  
3.优化 GcaLP*%>B  
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^E kE  
4.分析 8Q ba4kgL  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 smaPZ^;; j  
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。 _b|mSo,{Y  
hAX@|G.  
参考文献 kk#%x#L[  
[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). &u&+:
m  
E7X6Shng  
进一步阅读 x`~YTOfYk  
@a2n{  
进一步阅读 p^QZGu-.W  
 获得入门视频 {~q"Y]?  
- 介绍光路图 Tq{+9+
 
- 介绍参数运行 |`vwykhezO  
 关于案例的文档 m1H|C3u8  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens YbAa@Sq@  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens _#32hAI  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 2q]y(kW+  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair