[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） jN2Xoh9  
anFl:=  
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 i|G /x  
jx8hh}C  
\`WAG>'l5  
1DM$FG_Z-  
简述案例 7dXh,sD  
hVu~[ 'Me  
系统详情 d$v{oC}  
 光源 +)*aS+  
- 强象散VIS激光二极管 Tg6nb7@P  
 元件 ((tWgSZ3  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） q@iZo,Yk  
- 具有高斯振幅调制的光阑
*uMtl'  
 探测器 lK #~lC  
- 光线可视化（3D显示） 2T}FX4'  
- 波前差探测 Z n]e2  
- 场分布和相位计算 a|@1RH>7H  
- 光束参数（M2值，发散角） UJGmaE  
 模拟/设计 K<7 Db4H  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 7'TXR[  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 'K3%@,O  
 分析和优化整形光束质量 <zF/at  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 }o9(Q8  
KPs @v@5M  
系统说明 gBXJ/BW$y  
D[CEg2$y  
u^&,~n@n7  
模拟和设计结果
/BfCh(B  
R=s^bYdoy  
数值探测器结果 e+P|PW  
({p@Ay  
RaY=~g  
g;<_GL  
o$bD?Zn  
总结 "Yf?33UNZ  
i@`T_&6l  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 fO$~jxR.  
1.模拟 VWcR@/3  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Cr%6c3aQ  
2.评估 {t&+abY
 
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 2[$` ]{U  
3.优化 MA5BTq<&  
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。 SZ"^>}zl=  
4.分析 { w:9w  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 n{r
_Xa  
@ei:/~y3  
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。 Oz_|pu  
|p{FSS  
详述案例 'aW<C>  
oFUP`p%[  
系统参数 h`$2/%?  
IEJ
p!P,E  
案例的内容和目标 Ok2>%e  
80qe5WC.2u  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 I@9k+JB
  
2d Px s:8&  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 _fQBXG2  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 iv62Fs'  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Q!dNJQpb  
obhq2sK  
模拟任务：反射光束整形设置 HQl_/:Wx  
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。 +R?d6IjH  
7lz"^  
y*Wl(w3  
8y, ]>n  
<xeo9'k6&  
|J#mgA}(  
规格：像散激光光束 t'0dyQ%u  
7T3ub3\  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]1<O [d  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 s8<)lO<SV.  
g+98G8R  
"?Cx4<nsM  
"m:4e`_dz  
)gR !G]Y  
;eRYgC  
规格：柱形抛物面反射镜 q"[8u ]j  
                         ^l\^\>8  
 有抛物面曲率的圆柱镜 U:.  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 $lMEZt8A  
 曲率半径等于焦距的两倍 ,@Izx  
|VL(#U  
)} H46  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ;9hi2_luV  
C%csQ m  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 VfiMR%i}  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） !~&vcz0>)9  
 离轴角决定了截切区域 >9.xFiq<  
?][2J
 
规格：参数概述（12° x 46°光束） *XK9-%3  
bvMa|;f1  
   ;ip"V 0`  
{rG`Upp  
光束整形装置的光路图 )c#m<_^  
*SX'Or,  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 w8Mi:;6  
 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。 &ns !\!  
< g<Lf[n$  
反射光束整形系统的3D视图
YpT x1c-  
Tej-mr3P  
lFNf/j^Z  
:_
q  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 s}d1 k  
 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）。 KGclo-,  
l*|^mx^Q  
详述案例 "3*Chc  
Xh
/i5}5 t  
模拟和结果 j3bTa|UdT  
64^dy V,;  
结果：3D系统光线扫描分析 Ab<4F7  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 h7-!q@  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 lMX 2O2 o  
$C UmRi{T  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Hb3+$vJ^  
Eg"DiI)7  
使用参数耦合来设置系统 q9RCXo>Y+1  
->oQ,ezB  
yWACIaj  
自由参数： g< cR/  
 反射镜1后y方向的光束半径 6}.B2f9  
 反射镜2后的光束半径 `CI9~h@k  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Ek+L"7  
 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。 9lA@ K[  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 j[XA"DZR<  
_XtLO-D  
"msCiqF{z  
A/N$  
b'^OW  
)
>atoA  
_dj<xPO  
自由参数： q
!k F  
 反射镜1后y方向的光束半径 ujZki.x  
 反射镜2后的光束半径 2hV#3i  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Sq&*K9:z  
 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。 >eg&i(C+  
dhN[\Z%  
mf'N4y%  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 jK#y7E  
h'<}
N  
n37C"qJ/i  
结果：使用GFT+进行光束整形 <
JHU*Z  
jMUE&/k  
&J_|P43  
13.v5v,l  
.Lo$uKsW$l  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Qw^nN(K!>  
GBvB0kC)c  
^ 3LM%B  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 xTX\%s|  
]nN']?{7PW  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 =1lKcA[z  
_Kx /z  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： {a9Z<
P  
6rL'hB!!]*  
cD8.rRyD  
!&TbE@Xk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd yw5MlZ4P=  
={b/s31H:  
结果：评估光束参数 ^aDos9SyV  
jK\2y|&&c  
;)[RG\  
 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。 B_M)<Ad  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 m?xzx^xs/  

|hehROUn  
0G9@A8LU  
 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。 je.jui"  
 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） 3mZX@h@  
TQ" [2cY  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Z?[;Japg  
X#5dd.RR  
光束质量优化 bOux8OHt*  
$I-$X?  
*(L4
rK\2  
 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。 b,7:=-D  
 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）。 GY<Y,  
jt tlzCDn  
结果：光束质量优化 {gl-tRC3  
8 +xLi4Pw  
RX>kOp29  
 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。 Ka2U@fK"  
WW@/q`h  
X.xp
'/d  
Vlce^\s;  
 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。） B8Jev\_  
W+a>*#*  
9+9}^B5@A  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd I'BoP  
BkA>':bUr  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ag14omM-  
J7emoD[  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 1;SW%\M  
w48T?  
}k duN0  
 这意味着参数变化是的正态 <X j:c2@  
"Z }'u2%\m  
h(]O;a-  
-a]oN:ERb  
"f~S3?^!2  
 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。 +uKlg#wqc  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 s}`ydwSg8  
[xk1}D  
C#p$YQf  
}Nl-3I.S^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run rcq(p(!  
tn6\0_5n  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） qUx!-DMY  
!V
Zl<|  
:De}5BMy  
vC$[Zm  
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。 J@H9nw+Q  
/t%IU  
总结 g!V;*[  
]Tf.KUm  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 MT$OjH'Q`  
1.模拟 }a"T7y23  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 (#eB%  
2.研究 . CLiv  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ,/m<=`*N|  
3.优化 2hw3+o6  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 45edyQ  
4.分析 '-4);:(^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 t\CVL?e`  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 '>`?
T}a,  
Exc`>Y q  
参考文献 hrNri$  
[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). N/8qd_:8  
jkFS=eonK  
进一步阅读 tKo^A:M  
I(s\ Q[  
进一步阅读 z~A||@4'  
 获得入门视频 I`t"Na2i  
- 介绍光路图 :'f#0ox  
- 介绍参数运行 E3_e~yu&  
 关于案例的文档 u#\=g:  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens j S')!Wcu  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Dvo.yn|kB  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing R8c1~'  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair