[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） /t]1_  
[6g$;SicT  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 d42Y`Wu  
PPG+~.7  
fATVAv  
F~rl24F  
简述案例 &gT@oS{  
^.@%n1I"5y  
系统详情  ^b5+A6?  
 光源 9wf"5c  
- 强象散VIS激光二极管 .UX4p =  
 元件 v8C($<3%  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） -"H$&p~  
- 具有高斯振幅调制的光阑 lcpiCZ  
 探测器 7;TMxO=bra  
- 光线可视化（3D显示） ( 6zu*H)  
- 波前差探测 &J9 + 5L8  
- 场分布和相位计算 uUq= L  
- 光束参数（M2值，发散角） C]JK'K<7-  
 模拟/设计 abS~'r14  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 & uwOyb  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 7
>r[.g  
 分析和优化整形光束质量 SFwY%2np)!  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 T?A3f]U  
l+y;>21sTu  
系统说明 [+A]E,pv]1  
E%8uQ2p(  
ydY(*]  
模拟和设计结果 
J1gnR  
F"M/gy  
数值探测器结果
vA6onYjA  
-Mrt%1g  
]FvGAG.*  
v \;/P  
PvW4%A@0  
总结 ,vMAX?c  
|Axbx?  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +zDRed_]=_  
1.模拟 lqrI*@>Tz  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Jo;&~/V   
2.评估 "|&3z/AUh  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 $g VbeQ  
3.优化 F3o"ETle  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 8[AU`F8W  
4.分析 6q`)%"
4k  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 qW4\t  
sieC7raO  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 >e-0A  
(w"(RM~  
详述案例 sEfT#$ a^8  
!or_CJ8%  
系统参数 /7+b.h])^  
~W4SFp  
案例的内容和目标 6v%ePFul  
Hc|cA(9sh9  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 x}WP1YyT~  
D-i, C~W  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 {LA?v& b'  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 3PLA*n+%  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ?D9iCP~~  
V)5,E>;EN  
模拟任务：反射光束整形设置 ;;CNr_  
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。 8sI$  
z9 #-  
wm?%&V/#  
!z2xm3s{]p  
d9jD?HgM(  
5efN5Kt  
规格：像散激光光束 `@,V
bn^_  
G8?Do+[  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束  H4YA  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 v,~fG
>Y}  
"szJ[ _B  
UpSJ%%.n  
fJk'5kv  
<u# 7K\:  
#s>'IPc0  
规格：柱形抛物面反射镜 #k>A,  
                         7\nXJ381  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ;+o6"ky5  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 DVg$rm`  
 曲率半径等于焦距的两倍 8*B+@`  
$txF|Fj]^A  
Ayn$,  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） lS p"(&  
DC BN
89#  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 p_JWklg^  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） H;tE=  
 离轴角决定了截切区域 BjTgZ98J  
JwWxM3(%t  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 6<5:m:KE  
(64es)B}"  
   6 A#xFPYY{  
,BGUIu6  
光束整形装置的光路图 ;
9ChBA  
|:2B)X  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 9OY ao  
 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。 OkT@ _U  
{%y|
A{}c  
反射光束整形系统的3D视图 uT<<G
)v)  
0sme0"Sl  
,PJC FQMR  
YvP62c \  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ^f"|<r  
 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）。 Q uw|KL  
=i;T?*@  
详述案例 gnxD'1_  
u.?jWvcv  
模拟和结果 O2 +
K  
.J+F HG'  
结果：3D系统光线扫描分析 )z4eRs F|  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 w5/6+@}  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4ZR2U3jd1  
B/n~ $  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd F:Ps>  
S}]B|Q  
使用参数耦合来设置系统 ?q2Yk/P  
+$2`"%nBG  
Zv-1*hhHf  
自由参数： ),j6tq[  
 反射镜1后y方向的光束半径 dI
hfp7|  
 反射镜2后的光束半径 e:.?T\  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Bm%|W
QK
 
 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。 kDM?`(r  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =]pEvj9o  
e5 zi"~  
8HIX$OX>2  
;<GxonIV  
HNj;_S  
mieyL9*n7  
@>J(1{m=Gy  
自由参数： cN&:V2,  
 反射镜1后y方向的光束半径 ];b+f@  
 反射镜2后的光束半径 $MfRw
  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） `R.Pz _
oe  
 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。 T-/3 A%v  
/<(-lbq,  
2Yd@V}  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 y*US^HJOZ  
pQC|_T#u  
v'^}zO  
结果：使用GFT+进行光束整形 8IBr#+0  
9nFWJn  
X-TGrdoX  
NPM2qL9&J  
Tm7LaM  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Y> }\'$\b  
S'NLj(  
WpnP^gmX  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 8Djki]  
D<<q5gG  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ^=1u2YdVw  
suGd&eP|  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： <8Nr;96
IA  
Em5,Zr_  
]+B.=mO_  
2efdJ&eIV  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd yx:+Xy*N  
"zCT S  
结果：评估光束参数 P4eH:0=#  
d"Wuu1tEY  
(uhE'IQ{(  
 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。 [/VpvQ'  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 1\Pjz Lj  
6%>'n?  
o90
g;Vog  
 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。 |JHNFs  
 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） V|}9bNF  
[^6z>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $N;J)  
j|N<6GSke  
光束质量优化 BGwD{6`U  
re}PpXRC  
bqp^\yu-E  
 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。 t,*1=S5  
 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）。 HIvSpO  

la!U  
结果：光束质量优化 w%\{4T~  
^~7Mv^A  
8e
,F{>N  
 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。 mU?~s7  
S_OtY]gF  
@F$}/  
llWY7u"  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） g7*Uuh#  
]j6K3  
Tcc83_Iq  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd k`|E&+
og  
vD?D]8.F~Q  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 "Y&   
'-[hy>t  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 m6$&yKQ-=h  
%Q &']  
<j,3D
n  
 这意味着参数变化是的正态 r Dlu&  
g}gGm[1SUo  
y"'p#j  
a7F_{Mm  
:9%e:-  
 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。 ?b{y#du2a  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ?E|=eO"I1  
U1E@pDH  
F --b,,  
5p S$rf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run M<*Tp^Y'  
{Bk` Zlki  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） Q#Zazvk  
{#,5C H')  
pI8z.JD  
DrV[1Z  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 O2pE"8=4Q  
yUpN`;  
总结 FA)ot)]  
X{,mj"(w  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "RK"Pn+  
1.模拟 -Fn/=  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 V4ePYud;^  
2.研究 etiUt~W  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 e7{6<[k3+$  
3.优化 lnyq%T[^  
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。 3'`&D/n  
4.分析 zF[Xem
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 R+(f~
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。 F1-"yX1B  
6'/
Zq  
参考文献 A^X\  
[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). <Z3C&BM  
1t &_]q_  
进一步阅读 ,&=7ir14>R  
xt pY*  
进一步阅读 'l~7u({u  
 获得入门视频 C=q&S6/+  
- 介绍光路图  ~,&8)1  
- 介绍参数运行 uj.$GAtO)  
 关于案例的文档 (_@5V_U  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ?&eS}skL  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens JU^Y27  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing n/Fxjf0W  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair