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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) -$d?e%}#  
    t 7Q$  
    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 8em'7hR9  
    V%,,GmiU]  
    Kr}RFJ"d  
    ng1E'c]0@  
    简述案例
    ?WI v4  
    )&c2+Y@  
    系统详情 H,7='n7"  
    光源 `Y&`2WZ ~  
    - 强象散VIS激光二极管 @cDB 7w\  
     元件 Etz#+R&*  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) >F$9&s&  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 {*_Ln  
     探测器 U2VEFm6  
    - 光线可视化(3D显示) A(y6]E!  
    - 波前差探测 X5)D[aE6  
    - 场分布和相位计算 pS?D~0Nb  
    - 光束参数(M2值,发散角) `G\ qGllX  
     模拟/设计 }+,Q&]>~  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 i$Y#7^l%k  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): M Kyj<@[  
     分析和优化整形光束质量 |IAx!Z-P  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 -)A:@+GF  
    UF9={fN1  
    系统说明 x;mw?B[  
    yFE0a"0y  
    N.|F8b]v  
    模拟和设计结果 $Itmm/M  
    Tu vs}  
    @-q,%)?0}=  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 Ws2q/[\oz  
    0|GYtnd  
    EjPR+m  
    t>[QW`EeP  
    (kL"*y/"p  
    总结 X9*n[ev  
    H I9/  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S'x ]c#  
    1.模拟 xU;SRB   
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Ar%*NxX  
    2.评估 XT^=v6^H  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 +w0Wg.4V  
    3.优化 eF3NyL(A  
    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。 ^#5'` #t  
    4.分析 )!(gS,  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Y{dSQ|xz^  
    /JNG}*  
    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。 $1=7^v[U  
    +Xg:*b9So  
    详述案例 TOiLv.Dor  
    6*,55,y  
    系统参数 ?y|&Mz'XJ(  
    C:1(<1K  
    案例的内容和目标 ^!tX+`,6^  
    aZf/WiR2  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 V lZ+x)E  
    Od.@G~  
    :$I "n\  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 *twGIX  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 qkfof{z  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 @<K<"`~H  
    Bo:epus}\  
    模拟任务:反射光束整形设置 j+!u=E  
    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。 V@0T&#  
    t__f=QB/  
    kQI'kL8>  
    w&@tP^`  
    ,DEq"VW_  
    }w)}=WmD  
    规格:像散激光光束 KXMf2)pa  
    **P P  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 /[c_,G" "  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 &pK0>2  
    +.djC3^:  
    x)80:A}  
    A8ViJ  
    P)VQAM  
    Ee5YW/9]  
    规格:柱形抛物面反射镜
    Z +/3rd  
                             2-m@-  
     有抛物面曲率的圆柱镜 d/GSG%zB  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 @ws&W=NQ  
     曲率半径等于焦距的两倍 .XpuD,^;@  
    f)vnm*&-  
    Ft;x@!h%  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) mBIksts5h  
    i:Y5aZc/Ds  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 >~d'i  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) !ak760*A  
     离轴角决定了截切区域 9@qkj 4w  
    uznqq}  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) @oY+b!L  
    86LE )z  
       i^WY/ OhL  
    NxJnU<g-  
    光束整形装置的光路图 bD)"Jy  
    H8g 6ZCU~  
    lDBAei3iB  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 "T[BSj?E  
     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。 Bor_(eL^  
    )Q9Qo)D T  
    反射光束整形系统的3D视图 #n&/v'!\  
    T5`ML'Dej  
    bOU"s>?  
    DhxS@/  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 RKzO$T  
     绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 _{):w~zi  
    7Z9'Y?[m  
    详述案例 d&G]k!|\  
    7"Nda3  
    模拟和结果 C-ORI}o  
    d@^%fVhG  
    结果:3D系统光线扫描分析 ElTB{C>u  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 "Plo[E  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 6wT ])84  
    ).HA #!SE  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |[r7B*fw  
    W.s8!KH:  
    使用参数耦合来设置系统 YXTV$A+lW  
    Slo^tqbG  
    Bi9Q8#lh  
    自由参数: YeT{<9p  
     反射镜1后y方向的光束半径 k)z>9z%D  
     反射镜2后的光束半径 *Dq ++  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) \{Q_\s&)  
     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。 Y8%l)g  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 `uLr^G=;  
    c ?<)!9:  
    iM7 ^  
    W=g'Xu!|!2  
    2aR9vmR  
    \ ^pc"?Rc  
    <!G\%C  
    自由参数: !\VEUF,K?  
     反射镜1后y方向的光束半径 jLn#%Ia}  
     反射镜2后的光束半径 RIUJX{?  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) u,:hT] ~+  
     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。 Hr=|xw8.  
    G*_]Lz(N  
    G3y8M |:  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 R<I#. KD  
    DC_uh  
    &'zc2  
    结果:使用GFT+进行光束整形 H_XspiB@  
    J9;fqQCt  
    ^B%ki  
    gREk,4DAv  
    YH+(N  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 bxwwYSS  
    K:XP;#OsP  
    x R$T/]/  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 569p/?  
    sMVk]Mb  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 x'?p?u~[  
    B R  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: C6F7,v62  
    Ri AMW|M"C  
    <-' !I&  
    {A< 961  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %A3m%&(m&%  
    { 7DXSe4  
    结果:评估光束参数 G 0Z5h  
    dg~lz80  
    RhB)AUAj  
     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。 !U}2YM J  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 F =*4] O  
    5|r*,! CF  
    .9Cy<z  
     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。 Y+),c14#  
     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) ->?tB1}^  
    g yV>k=B  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd V'>Plb.A  
    rp"5176  
    光束质量优化 jTg~]PQ^  
    uD?G\"L i  
    oj{CNa  
     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。 479X5Cl  
     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.  
    ,W[J@4.  
    结果:光束质量优化 )qMbk7:v\  
    {irc~||4  
    } LC  
     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。 'nM4t  
    ?ZGsh7<k  
    ]&P\|b1*g  
    bW! &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。) (p12=EB<  
    :] U\{;q2  
    0,m]W)  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ^dk$6%0  
    J]Z~.f="  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 U+>M@!=  
    O<V 4j,  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 >"=DN5w ,S  
    8TAJ#Lm  
    [PUu9rz#  
     这意味着参数变化是的正态 #O;JV}y  
    \5!7zPc  
    o<3$|`S&  
    ILAn2W  
    #z%D d{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。 N%Ta. `r  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 q!'p   
    ihwJBN>(  
    4c(Em+ 4  
    A&Aj!#  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run  P33xt~  
    P[G>uA>Z1  
    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) p$|7T31 *  
    @>VVB{1@,]  
    >O24#!9XW  
    ]7K2S{/o{  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 9-{=m+|b  
    <nqv)g"u0  
    总结 Kf BT'6t  
    (oX!D(OI  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M :}u|  
    1.模拟 2 HQ3G~U  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 aif;h! ?y  
    2.研究 qT(6TP  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 h,m 90Hd+  
    3.优化 -c0ypz  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 hF0,{v  
    4.分析 fM"*;LN!N  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 77)WNL/ x  
    可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 +Z|3[#W  
    /IRXk[  
    参考文献 W!? h2[  
    [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). NvJ5[W  
    \z0HHCn'"  
    进一步阅读 S=mqxIo@m  
    |0=UZK7%O  
    进一步阅读 1\&j)3mC  
     获得入门视频 m:?"|.]  
    - 介绍光路图 kc^,V|Nbq6  
    - 介绍参数运行 0(eaVi-%D  
     关于案例的文档 K$M+"#./  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ]9y\W}j  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens h.PBe  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing `nl n@ ;  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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