[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） >(z{1'f{  
Cw?AP6f%  
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 Okk[}G)  
6QdNGpN  
WO*yJ`9]  
1!8*mk_R{  
简述案例 ~\dpD  
7'FDI`e[  
系统详情 "@B!5s0  
 光源 z.16%@R  
- 强象散VIS激光二极管 &QE^i%6>\  
 元件 7ka^y k@Q  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） G B!3` A%&  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Y~1}B_  
 探测器 R7*Jb-;$!  
- 光线可视化（3D显示） sb4)@/Q7j  
- 波前差探测 ?97MW a
 
- 场分布和相位计算 dgssX9g37  
- 光束参数（M2值，发散角） T\c;Ra  
 模拟/设计 Qpd-uC_Ni  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ]6OrL TmP  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： a#H=dIj  
 分析和优化整形光束质量 [e)81yZG>  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 d;S:<]l'  
Ga f/0/|  
系统说明 $o\p["DP  
F$r8hj`  
2a.NWJS  
模拟和设计结果 ;t%L(J  
E E?v
~6"&  
数值探测器结果 ;0E"4(S.q1  
/iif@5lw{  
p@i U}SUaE  
a2/r$Tgm  
4\pA^%73  
总结 7g ]]>  
Z.6`O1OY}?  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 JmNeqpbB`w  
1.模拟 $Fz/&;KX!  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ,b>cy&ut  
2.评估 }#!o^B8  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 CW\o>yh  
3.优化 &Wd,l$P<O  
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
ky<  
4.分析 yE9JMi0  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 iN<5[ztd  
]p'Qk  
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。 fH`1dU  
k`g+  
详述案例 vlIdi@V  
<eN>X:
_N  
系统参数 344,mnAd  
8g>jz 8  
案例的内容和目标 _Fl]zs<  
-D:J$d 6R<  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 RB/[(4  
*XH?|SV  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 6FEtq,;0w  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 7]e]Y>wZap  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 pMt]wyKr  
b@YSrjJ  
模拟任务：反射光束整形设置 hph 3kfR  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 pvmm" f  
z*yN*M6t  
bSz6O/A/  
*\VQ%_wg  
e}[$ =  
t ?bq~!X  
规格：像散激光光束 \!cqeg*53  
~fCD#D2KU  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 d0-}Xl  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Yf{s0Z  
SF_kap%JM  
wCmwH=
O  
,}{E+e5jh7  
9HTb  
\XRViG,|5  
规格：柱形抛物面反射镜 t9m`K9.\  
                         Eq.c;3  
 有抛物面曲率的圆柱镜 t:=Ui/!q  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 /c'#+!19  
 曲率半径等于焦距的两倍 5yA^n6  
gEi"m5po  
g"T~)SQP  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） +e?ixvl
d  
8 6L&u:o:  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 _|A)ueY  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Q;5\(
0w5  
 离轴角决定了截切区域 ^S<
Z'S  
Hlz4f+#I  
规格：参数概述（12° x 46°光束） R1P,0Yf  
sp_(j!]jX  
   a'T|p)N.;T  
; $y.+5 q  
光束整形装置的光路图 $ng\qJ"HF  
=_ rn8  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 '|FM|0~-J  
 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。 3[V|C=u0  
u|QfCwQ  
反射光束整形系统的3D视图 /u #9M {  
p^L6uM  
t#P)KcWOt  
x7NxHTL  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ;Rnb^t6Z  
 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）。 e9%6+9Y  
|Cen5s W&  
详述案例 "%.#/!RG  
.IKK.G  
模拟和结果 DJ<c  
'm2,7]  
结果：3D系统光线扫描分析 cA/2,i  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 c89RuI `B~  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 $iP#8La:Y  
e,4!/|H:  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Mb<KZ_wYOX  
2<988F  
使用参数耦合来设置系统 8L|C&Ymj  
wPc,FH+y  
P{}Oe *9"  
自由参数： _OrE{  
 反射镜1后y方向的光束半径 (+^1'?C8  
 反射镜2后的光束半径 F8=6!Qj  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） G)e 20Mst  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 |/<iydP  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 \/$v@5  
,]cd%w9  
.4^Paxz  
|RjjP 7  
CI  @I  
He]F~GXP  
>yWJk9hf  
自由参数： jWoo{+=D  
 反射镜1后y方向的光束半径 fe0 Y^vW  
 反射镜2后的光束半径 bX6*/N  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） N9*$'  
 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。 mWGT (`|~/  
WYh7Y  
8bK}&*z<  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 zh4o<f:-  
3;M!]9ms  
8WyG49eic  
结果：使用GFT+进行光束整形 4B> l|%  
L`Ic0}|lzy  
@eMyq1ZU  
Kp&d9e{ Yc  
.6'T;SoK>  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 1U9iNki  
P`oR-D  
P;y/`_jo  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 $`5DGy?RU  
*1%g
=vb  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 y7w>/7
q  
|/(5GX,X  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： B#gmT2L  
<B fwR$  
x``!t>)O  
y%GV9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 2`},;i~[  
}.hBmhnZmI  
结果：评估光束参数 O:U@m@7  
3gM{lS}h#  
E?zp?t:a  
 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。 H}$#aXEAn  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 lu{}j4  
AH} nTm  
EtL=_D-  
 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。 >2|#b  
 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） ]6aM %r=c  
980+Y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd QxkfP%_g  
%z.G3\s0  
光束质量优化 dqe_&C@*O  
,S8Vfb &  
\Dc\H)  
 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。 !of7]s  
 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）。 f*I5m=  
J\%:jg( m  
结果：光束质量优化 z6!
X+`&  
-`;8~wMN  
s,}<5N]U  
 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。 jmb\eOq+~V  
.SsIU\[)  
f&`*x
t/  
U!'l
c}5  
 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。） /}VQzF  
i" )_M|   
J8%|Gd0#4  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd nqH^%/7)A@  
EW!$D  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Brl6r8LGi  
/X:lt^?%I  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 zPmVECS  
Zu$f[U)X  
Dux`BKl  
 这意味着参数变化是的正态 }J*&()`  
V":BAn  
J!H5{7.efN  
3UaP7p+d  
Ao\Vh\rQkq  
 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。 bXW)n<y  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 9j 8t<5s  
~;+vF
-]R  
e%P;Jj476  
7mjj%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run d#*5U9\z  
zm:=d>D..  
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） 4A&e+kz&:R  
!G,$:t1-=V  
R',
w~1RV'  
I%&9`ceWY  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 :}-u`K*  
0 mQ3P.9  
总结 w?*KO?K  
yjO7/<2  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 sHuz10  
1.模拟 KFhn}C3 i  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 D7.
P  
2.研究 hK"=~\,  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 jysV%q 3  
3.优化 [0LqZ<\5  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 9e&#;6l  
4.分析 b>z.d-  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 zJ:r0Bt  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 85fDuJ9$Z"  
#R8l"]fxr?  
参考文献 ]Yu+M3Fq  
[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). -FR;:  
v(h Xk]S  
进一步阅读 M;Rw]M  
gdK/:%u3  
进一步阅读 "6dbRo5%  
 获得入门视频 kn"x[{d  
- 介绍光路图 ."X~?Nk  
- 介绍参数运行 _PbfFY #  
 关于案例的文档 IpJv\zH7  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens eh>E).  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens &-:yn&f7  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing AL7O-D  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair