[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） <ut DZ#k  
Tb={g;0@  
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 ?R]y}6P$  
=.X?LWKY  
^!<7#kX  
T"H)g  
简述案例 IPVzV\o  
8T)zB6ng  
系统详情 bQy%$7UmX,  
 光源 J=X% xb  
- 强象散VIS激光二极管 =[K)<5,@  
 元件 bXH^Bm  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） o1WidJ"  
- 具有高斯振幅调制的光阑 y<1$^Y1/
)  
 探测器 i+[3o@  
- 光线可视化（3D显示） ^CPfo/!  
- 波前差探测 Jo3(bl%u  
- 场分布和相位计算 V0Z7o\-J  
- 光束参数（M2值，发散角） @6co\.bv  
 模拟/设计 '98h<(@]  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 PS(j)I3  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： yJ8}*Gj&  
 分析和优化整形光束质量 ~J-|,ZMd  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 /HuYduGdP  
}#G"!/ZA0:  
系统说明 &U~r}=  
T#n1@FgC  
7vaN&%;E%  
模拟和设计结果 &@HNz6KO  
B`B%:#  
数值探测器结果 N+M&d3H`  
]rg+nc3  
[b.'3a++  
>I& jurU#  
K@P`
_yxN  
总结 ! F <] T
 
sk ?'^6Xh  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Yv
>BOK  
1.模拟 ^Y7/Ow  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Ok>(>K<r  
2.评估 e:J'&r& 1  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 6 r.H8  
3.优化 V 7l{hEo3?  
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。 6"i{P  
4.分析 Q*:h/Lhb&  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 eky(;%Sz  
7y)=#ZG'R  
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。 DMQNr(w{!2  
h ??C4z  
详述案例 AzW7tp;t=  
>HPvgR/#BY  
系统参数 ?7uKP}1|  
~zxwg+:QO  
案例的内容和目标 g. ?*F#2  
H=&/Q  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 2]D$|M?$~  
`pi-zE)  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ^m_^  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 VyWYfPK  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 nuSN)}b<Q  
WQ[}&kY~  
模拟任务：反射光束整形设置 5@czK*5  
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。 j/H>0^  
Kx- s0cw  
G#
e9$!  
2f19W# '0  
{}_Nep/;  
*p&^!ct  
规格：像散激光光束 6F*-qb3  
_ }E-~I>  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 #zS1Zf^KP  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 S jVsF1d_  
|rHG%VnBH  
7m:|u*ij2~  
7uPZuXHxcu  
a)
!![X?\  
.tRr?*V|l  
规格：柱形抛物面反射镜 YlswSQ  
                         )MWUS;O<  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ME$2P!o  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ;)(Sdf[P  
 曲率半径等于焦距的两倍 qz
A`d 5rX  
b , juF2  
CmEpir{}(  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） DW/1 =3  
4\LZD{  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 lWx  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） yoBgr7g
S  
 离轴角决定了截切区域 ;,1=zhKU.  

j G-  
规格：参数概述（12° x 46°光束） B_{HkQ.PW  
M1oPOC\0.  
   q$r&4s)To  
(I-<f$3  
光束整形装置的光路图 Z_H?WGO  
M.>^{n$ z  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 <9P4}`%)3  
 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。 5Sr4-F+@%  
,E\h!/X  
反射光束整形系统的3D视图 25 CZmsg  
iI5+P`sE&J  
v" }WP34  
:e*DTVv8  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 t3PtKgP-6  
 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）。 Ntb:en!X  
[SVhtrx|%  
详述案例 hAm/mu  
GCDwWCxh  
模拟和结果 M!1U@6n!=)  
lT2 4JhJ#  
结果：3D系统光线扫描分析 X1+wX`f  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 I>PZYh'.T  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 TZ[Zm  
1y J5l,q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd LL&ud_Y  
Cyq?5\a  
使用参数耦合来设置系统 BZK2$0  
y$X(S\W
 
q\%cFB}  
自由参数： 
tz26=8  
 反射镜1后y方向的光束半径 ,LDm8   
 反射镜2后的光束半径 UtnZNdlv  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !b8uLjd;  
 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。 :ygWNK[6D  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 S,)d(g3>  
7BR8/4gcPu  
f`jc#f5+'  
8WL8/  
rL

U'*}  
}GumpT$Xw  
,apNwkY  
自由参数： ?38lHn`FyQ  
 反射镜1后y方向的光束半径 c.AYxI"  
 反射镜2后的光束半径 UiH!Dl}<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） glj
7$  
 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。 }pVTTs`  
#2RiLht  
<Mx0\b!  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 =<c#owe:m  
W+Xz$j/u  
qFco3  
结果：使用GFT+进行光束整形 fH\X  
5c5oSy+  
oc7$H>ET1  
K_~h*Yc  
.Da'pOe  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 :w`3cwQ  
(-0ePSOG  
?-MP_9!JK  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 20b<68h$:  
&gtG~mp<L  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 L[g0&b%%-  
8'Z:ydj^,  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： n(1')?"mA  
(@r `$5D.b  
#*9-d/K  
.B72C[' c  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd `Out(Hn  
3*ixlO:qGk  
结果：评估光束参数 POAw M  
U!(@q!>G  
vAb^]d
 
 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。 {sVY`}p|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 q5x[~]?  
7 <9yH:1  
l[Q:}y  
 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。 +k\Uf*wh  
 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） 4dawg8K`9  
1PH:\0}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd <eN_1NTH_  
oVvc?P  
光束质量优化 r%@Lej5+  
"{D6J809  
\Q~8?p+  
 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。 m2~&#c\  
 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）。 Yd EptAI  
.zg8i_  
结果：光束质量优化 Cx<0 H  
N8to
xRu  
[AU II*:}  
 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。 NVKC'==0  
}t9.N`xu  
L<
^j"!0  
5xCT~y/a  
 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。） V7d)S&*V  
fq )vK  
h4|i%,f  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd dCyqvg6u  
#LlUxHv #  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 M`YWn ;  
bmgncwlz  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 vhbDb)J  
te
|?)j  
S$TmZk=  
 这意味着参数变化是的正态 G!w"{Bk?9  
YB<*"HxM)}  
{S/yL[S.  
j9Ybx#  
r={c,i  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ;~fT,7qBah  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Y3.$G1{#0w  
q6Rr
.A  
:Z`:nq.a  
&|>S|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run m>USD?i  
o#) {1<0vg  
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） 'c2W}$q  
**9x?s  
:NJ_n6E  
]]7mlQ  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 j',W 64  
1b=lpw1}  
总结 W} WI; cI  
{3;AwhN0H  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 `&\Q +W  
1.模拟 T134ZXqqz  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 8fA_p}wp  
2.研究 8
n1'x;  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 |*Z$E$k:  
3.优化 +uay(3m((  
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。 7Q\|=$2  
4.分析 db'/`JeK b  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 f#+el y  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 EY*(Bw  
V5+SWXZ  
参考文献 SGb;!T*  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). B8E'ddUw  
oFjIA!  
进一步阅读 +)JpUqHa  
:#dE:L;T  
进一步阅读 R$;n)_H  
 获得入门视频 zdXkR]  
- 介绍光路图 _|h8q-[3  
- 介绍参数运行 s4&^D<  
 关于案例的文档 U qG .:@T  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens !9 fz(9  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens j+>J,axU!  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing fw ,
\DFHO  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair