[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） O7lFg;9c`  
`$i/f(t6`  
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 Ji7<UJ30x  
IHcR/\mz  
,#Mt
10e{  
nD\H$5>5  
简述案例 }b=Cv?Zg$m  
#gSLFM{p  
系统详情 vk.P| Y-;  
 光源 $c}-/U 8  
- 强象散VIS激光二极管 ~NG+DyGa=  
 元件 LGT?/gup  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） R/Z zmb{  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ,WtJ&S7?  
 探测器 Z,7VOf6g  
- 光线可视化（3D显示） V?&P).5)  
- 波前差探测 |ZtNCB5{^j  
- 场分布和相位计算 'mO>hD`V  
- 光束参数（M2值，发散角） Er@OmNT  
 模拟/设计 <BjrW]pM  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 &l?AC%a5  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： M$U
Zn  
 分析和优化整形光束质量 3{9d5p|\i  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 w:07_`cH=  
Sjo7NR^#e  
系统说明 ?tx."MZ  
d
;.H9Ne  
qB5.of[N!  
模拟和设计结果 ,)ZI&BL5  
Kjt\A]R%  
数值探测器结果 RAj>{/E#W  
9nSfFGu  
tr|)+~x3  
%uDH_J|^  
y~^-I5!_ u  
总结 odWK\e  
58P[EMhL  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 n}/4em?  
1.模拟 IR|#]en  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 o>\o=%D.a  
2.评估 8p_6RvG  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
`k`P;(:  
3.优化 ]i\;#pj}
 
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。 %S/?Ci  
4.分析 v?0F  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 nt8&Mf  
YO9;NA{sH  
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。 oS^KC}X  
Ug\$Ob5=q  
详述案例 GA;h7  
-ARks_\  
系统参数 xJ9aFpTC  
Up5|tx7  
案例的内容和目标 sO{TGk]*  
}:57Ym)7w  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 )3k?{1:  
1E
b2X}XC  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 rFaG-R  
 之后，研究并优化整形光束的质量。
e, fZ>EJ  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 HI7w@V
8Ed  
LGK@taw^  
模拟任务：反射光束整形设置 V!/9GeIF  
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。 Whe-()pG{  
aK/fZ$Qc  
8N \<o7t%  
,Oe:SZJ>  
I-#7Oq:Np  
;GIA`=a%  
规格：像散激光光束 KD.|oo  
U7Oa 13Qz  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 51Vqbtj^  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ;Y0M]pC  
G.`
},c;A-  
SP/'4m  
~d\^ynQ  
PQp/&D4K  
kc(m.k!|f\  
规格：柱形抛物面反射镜 zK&1ti@wln  
                         `]^W#6l
 
 有抛物面曲率的圆柱镜 )FNn  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 p=odyf1hK  
 曲率半径等于焦距的两倍 \*[DR R0  
qsQ{`E0  
"$pbK:  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） h,n}=g+?  
#ID fJ2  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [!4xInS  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） t+_\^Oa)  
 离轴角决定了截切区域 `!$6F:d_l  
{xeJO:M3/  
规格：参数概述（12° x 46°光束） iD*Hh-  
,J,Rup">h  
   lrj&60R`w  
Va?i#<a  
光束整形装置的光路图 C+g}+  
RMiDV^.u`  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ="v`W'Pd  
 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。 <bb!BS&w  
c@Br_-  
反射光束整形系统的3D视图 H6{Bx2J1*  
bX$1PYX  
OGIv".~s4  
{@F'BB\  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 1Dc
X$b  
 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）。 OTE,OCB[  
6 &0r/r  
详述案例 @_?2iN?4Z  
]
A5Y/dd  
模拟和结果 Q4_r) &np  
n}_}#(a  
结果：3D系统光线扫描分析 #4./>}G  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 3UaW+@  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 9!(%Vf>  
S3l^h4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }I-nT!D'y  
('7
$K  
使用参数耦合来设置系统 f;Oh"Yt  
`g3AM%3  
tcT=a@  
自由参数： w7.,ch  
 反射镜1后y方向的光束半径 `FQ]ad Fz  
 反射镜2后的光束半径 
a6j& po  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 1O<6=oH  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 T[)!7@4r  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 *asv^aFpS  
Sc
/l.]k+  
\ a,}1FS  
C\;l)h_{  
h x&"fe  
8QK8q:|  
>h)kbsSU0z  
自由参数： gT0yI;g]  
 反射镜1后y方向的光束半径 eG1V:%3  
 反射镜2后的光束半径 r dSL  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Y|><Ls6Q  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 RrvC}9ar  
\fUX_0k9,  
Vx2/^MiXy  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 v}N\z2A  
]t~.?)Ad+2  
S'8+jY  
结果：使用GFT+进行光束整形 :MY=Q]l  
x<M::")5!V  
d\nXK#)Q  
7)V"E-6h  
~qj(&[U{c\  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Hp04apM:  
d}zh.O5P!  
_wK.n.,S~  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 D\&S {  
V%s7*`U  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 +1YEOOfVY  
OQ hQ!6  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： :Q>e54]'&  
XDJE]2^52?  
Z
::I3 Q  
lQ`=PFh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }n4 T!N  
+4_,, I  
结果：评估光束参数 m..ajYSQ  
j=irx5:  
2I [zV7 @t  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 P0}{xq'k9v  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 e O\72? K  
NOQ^HEi  
B6 (\1  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 k3qQU)  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） a%B&F|u  
5m0\ls\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd m6mGcbpn  
hg" i;I  
光束质量优化 L? DlR hu  
cl4z%qv*  
63Zu5b"O/  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 O'wmhLa"W  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 I{cH$jt<  
'Gl~P><e  
结果：光束质量优化 ;7z6B|8  
+Pb:<WT}%  
,~naKd.ZY  
 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。 _x<NGIz  
YUEyGhkMV{  
1;$XX#7o  
s6 g"uF>k  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） Gy/w #4xj  
L T$U z  
Gn8sB  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd '_G\_h}5  
X6G{.Vh"  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 6X
WNJb  
'-%1ILK$3r  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 "iK= 8  
HXa[0VOx  
dR]-R/1|  
 这意味着参数变化是的正态 :E.a.-  
mp
8GHV  
[ @eA o>  
g4h{dFb|_  
"TJu<O"2  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 V+"%B
rM  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 v;<gCzqQh  
B[@q.n  
SUUNC06V  
:Ph>\aG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run R|C`  
L5FOlzn  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） 1p.c6[9-  
eT".psRiC  
fwz:k]vk  
=o##z5j K  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 4]U=Y>\Sr  
F<I*?${[  
总结 e
3
;&  
GJ*IH9YR  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 L?[m$l!T}  
1.模拟 VC88r
e`  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 K'ZNIRr/C  
2.研究 P?h1nxm`'  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 [;z\bV<S  
3.优化 \l:R]:w;ZI  
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。 ;-Yvi,sS+  
4.分析 ,-AF8BP  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Da(k>vR@4  
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{L'7  
<!sLfz?  
参考文献 +06{5
-,  
[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). dBXiLrEbs  
B"&-) (  
进一步阅读 s6|'s
<x"j  
2PlhnUQ7  
进一步阅读 YcobK#c  
 获得入门视频 0DicrnH8  
- 介绍光路图 3<^Up1CaZ  
- 介绍参数运行 > ubq{'  
 关于案例的文档 l}uZxKuYx  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens dS6 $  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens TGF$zvd  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing a yoC]rE  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair