[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） WE!vSZ3R  
6XV<? 9q  
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
0tz:Wd*<  
g"8 .}1)~r  
{pa
dD p  
fnu"*5bE  
简述案例 3{Q,hpZN  
]]iPEm"@  
系统详情 ~Pf5ORoe  
 光源 ":;@Hnb/  
- 强象散VIS激光二极管 HK=[U9 o?  
 元件 dE=Ue#1U@5  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Oe]&(  
- 具有高斯振幅调制的光阑 lX!`zy{3k  
 探测器 pK&I^r   
- 光线可视化（3D显示） Bx~[F  
- 波前差探测 v90T{1+M|4  
- 场分布和相位计算 {U11^w1"3  
- 光束参数（M2值，发散角） arZ@3]X%a  
 模拟/设计 VHUW]8We  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 yfNX7  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 773/#c  
 分析和优化整形光束质量 /X8<C=}  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 :
os
z  
]o/|na*  
系统说明 [IBQvL  
!fkep=  
h5zVGr  
模拟和设计结果 ! T9
]/H?  
[w\?j,  
数值探测器结果 C*6S@4k  
u' Qd,  
\l#>dq"Y  
E8}+k o  
C'mL&  
总结 #VbVsl  
2ef;NC.&n  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,d,\-x-+/  
1.模拟 !>^JSHR4t  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Wa"(m*hW  
2.评估 adEJk  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 T~8  .9g  
3.优化 
V_^@  
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。 Z'v-F^  
4.分析 mryN}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 kAzd8nJ'  
d.<~&.-$  
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。 4/>Our 5  
Q}AE.Ef@<  
详述案例 h rN%  
w=b(X q+:  
系统参数 2h^WYpCm  
,t$,idcT+
 
案例的内容和目标 4g _"ku  
,2[ra9n  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 p#8
W#t$  
do/)~9[4\  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 pa .K-e)Mu  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 vxlOh.a|/L  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ;.
"<m   
;^k7zNf-  
模拟任务：反射光束整形设置 p
h:3|d  
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。 ;-mdi/*g  
%Q|eiXD  
XFZ~ #DT&  
|?m` xO  
0au)g!ti  
P.WYTst=  
规格：像散激光光束 "&YYO#YO  
MLVB^<qkeH  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 |KCOfVh?|.  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 f?f
Khu2  
6)RbPPeE  
> dZ3
+f  
Dma.r  
iAO5"(>}?  
=odkz}bU  
规格：柱形抛物面反射镜 ~.tvrxg  
                         h=VqxGC&  
 有抛物面曲率的圆柱镜 %B2XznZ:  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 X!,@j\L  
 曲率半径等于焦距的两倍 Q'NmSX)0  
~Vh=5J~  
$r.U  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） <+`(\  
6Y*;{\Rd  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 T`YwJ6N  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Jn}n*t3  
 离轴角决定了截切区域 0NE{8O0;Fr  
hXL|22>w<  
规格：参数概述（12° x 46°光束） vn').\,P2O  
$Rtgr{ {;"  
   !|{IVm/J  
|WqOk~)[Z3  
光束整形装置的光路图 n~0z_;5  
@uleyB  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 bi[7!VQf  
 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。 uGtV}-t:  
%|Qw9sbd  
反射光束整形系统的3D视图 :J_oj:0r"f  
^JeMuU  
mB55PYA  
"PWl4a&  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 I2Ev~!  
 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<wV]F*  
qt?*MyfV  
详述案例 'Z!Ga.I  
7qIB7_K5  
模拟和结果  $g8}^1  
m\0cE1fir  
结果：3D系统光线扫描分析 *YV S|6bs  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 D0bnN1VP  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 x"B'zP  
4*H"Z(HP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd kyUl{Zj
 
Buc_9Kzw<+  
使用参数耦合来设置系统 o+?@5zw-&  
mf$j03tu  
+++pI.>(*Q  
自由参数： 6qp5Xt+  
 反射镜1后y方向的光束半径 )/t6" "  
 反射镜2后的光束半径 a+z2Zd!u\x  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7nE"F!d+0  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 5
D`26dB2  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 /XpSe<3  
M@7Xp)S"  
pA4 ,@O  
&w\I<J`T  
 -;c  
C8b''9t.  
H#(<-)j0_  
自由参数： w9&#~k]5  
 反射镜1后y方向的光束半径 )iE"Tl  
 反射镜2后的光束半径  M[P^]J@  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !$xu(D.  
 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。 \_ow9vU
 
Wr%7~y*K  
;)/
@Xx  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 V|?WF&  
8C&x MA^  
ohZx03  
结果：使用GFT+进行光束整形 #uvJH8)D  
+<(a}6dt  
Uene=Q6>  
/=T"=bP#/  
3:`XG2'  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 TipHV;|e  

(F5ttQPh  
sBW3{uK  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 -Zy)5NB-tZ  
Jq1 n0O  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 @EZ>f5IO+  
d<T%`:s<  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： R}%8s*  
0D3OE.$0  
3E|;r _; 8  
UzQ$B>f  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd W<'<'z5  
qo;)X0N  
结果：评估光束参数 Mtp%co)f  
P;U@y"s  

F=Y S^  
 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。 )x\z@g  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 g9V.13k  
Q1V2pP+=@  
/tC9G@Hl  
 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。 lX;mhJj!  
 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） gGbI3^r#  
;'1Apy  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd tgN92Q.i6T  
Auac>')&Q  
光束质量优化 ntHT  
H@W0gK(cS;  
^KH%mSX>  
 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。 2%YXc|gGT  
 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）。 [x_s/"Md;  
*zQOJsg"e  
结果：光束质量优化 oyvtZ/@  
jT^!J+?6K+  
ua#K>sur.  
 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。 ]
09yy  
9ECS,r*B  
,y.3Fe  
yQ-hnlzn~  
 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。） cjT[P"5$  
/djACA  
DQ_ 2fX~)  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd .mt^m   
;1E_o  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 uBRw>"c_*8  
ITvHD-,\  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 x]'H jTqX  
=uc^433.  
?`i|"y#  
 这意味着参数变化是的正态 ;Jo*|pju  
32y[  
=Z
MF]|  
|_I[1%&`N  
,\>g  
 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。 p">WK<N  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。  2}!R T  
L9J;8+ge  
enPYj.*/0  
%mmxA6I  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run D(@SnI+  
]ut?&&*  
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） hXnw..0"  
y4r2}8fi  
24O d]f  
!Sfe{/$w  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 B3.X}ys#  
I1v@\Rb  
总结 1:5P%$?b  
w3d\0ub  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 At|ht  
1.模拟 0STk)>3$-  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 oFn4%S:  
2.研究 ++gPv}:$X  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ~=F
k/  
3.优化 6Ok,_ !  
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。 I*9Gb$]=  
4.分析 Tz2x9b\82  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 *Ji9%IA  
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。 2X^iV09  
/t5g"n3  
参考文献 YpiRF+G  
[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). W n6,U=$3  
13\Sh  
进一步阅读 sgD@}":m  
$'y1Po'2  
进一步阅读 Z{ %Uw;d  
 获得入门视频
Bd QQ9$@5  
- 介绍光路图 eA10xpM0
 
- 介绍参数运行 [e1\A&T  
 关于案例的文档 pj j}K  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ym[+Rw  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens O2$!'!hz  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing '&/(oJ;O~  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair