[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） sk 2-5S  
}4{fQ`HT  
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 :Pg}Zz<  

kdCP  
WJ d%2pO]  
Y)$ ;Ax-D  
简述案例 *$"gaXI  
q-rB2  
系统详情 mCWhUBghR  
 光源 "n: %E  
- 强象散VIS激光二极管 W0C@9&pn6  
 元件 #_|sgS?1  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
XgxX.`H7  
- 具有高斯振幅调制的光阑 x+h~gckLb  
 探测器 =1
u@7Bh  
- 光线可视化（3D显示） h@@nR(<i  
- 波前差探测 a3VM'  
- 场分布和相位计算 3VUWX5K?  
- 光束参数（M2值，发散角） !bD@aVf?5  
 模拟/设计 d @*GUmJ  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 g1UGd  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： iajX~kv  
 分析和优化整形光束质量 1O!/g  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 r&2~~_d3y  
/\w)>0  
系统说明 3GmeD/6  
)m&U#S _;  
"ywh9cp  
模拟和设计结果 SR8qt z/V  
YqV8D&I  
数值探测器结果 N,J9Wu ZJ\  
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?hR7<02  
p:OPwD+  
KYkS9_yF  
总结 `s]4AKBO  
y?)}8T^  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $v`afd y  
1.模拟 teW6;O_  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 z**hD2R!  
2.评估 S/`%Q2za4  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 +'G0{;b  
3.优化 Ox#Q2W@Uy  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 /R LI,.%  
4.分析 9Q!bt  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 tj*y)28
-  
v`c$!L5  
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。 &(a(W22O  
m3^/:<  
详述案例 ;D.h65rr  
%Td )0Lqp  
系统参数 4<X!<]3]  
`Ci4YDaz;k  
案例的内容和目标 6QNs\Ucb+  
>|o_wO  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 !>(RK"KWq]  
&W6^6=E{g  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。  Q2p)7G  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 7yt=]1  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 D\~e&0*  
_Hd{sd#xX1  
模拟任务：反射光束整形设置 b}G24{  
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。 Zw] ?.  
%>WbmpIyc  

sLcFt1  
_J]2~b  
'(#g1H3  
aj~bt-cE  
规格：像散激光光束 l+y}4k=/  
nPkZHIxuD  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 33~qgK1>  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7@PIM5h  
_ jAo:K_Z  
E4D (,s  
{6d b{ ay_  
=ZsGT  
!7U\J]  
规格：柱形抛物面反射镜 N8!TZ~1$  
                         gor<g))\  
 有抛物面曲率的圆柱镜 a}d6o;li  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ze'.Y%]  
 曲率半径等于焦距的两倍 #vf_D?^  
4Z)DDz-}V  
{BO
|u{C  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 1Qh`6Ya f  
K`nJVc  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 VG*'"y*%w  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） kDB iBNdB  
 离轴角决定了截切区域 l[/q%Ca'>  
E=/[s]@5  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ex?\c"  
t#<KxwhcN  
   IbWPlbH  
MFg'YA2/  
光束整形装置的光路图 WwW^[k (X  
~F#A Pt  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 vZajT!h  
 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。 zfjTQMaxh  

jxy1  
反射光束整形系统的3D视图 
ggou*;'  
XLTD;[
jO  
b Dg9P^<n  
4R+P  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 k_3
j '  
 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）。 H_X?dj15  
h)E|?b_  
详述案例 ;IC'Gq  
Isovwd  
模拟和结果 D{AFL.r{  
'Kis hXOn]  
结果：3D系统光线扫描分析 vSM_]fn  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 "E>t, D  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :HW>9nD
.  
m{&w{3pQk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Q-R}qy5y  
G[q9A$yw  
使用参数耦合来设置系统 i=8UBryr'e  
'8r8%XI  
/84bv=  
自由参数： Bp0bY9xLg_  
 反射镜1后y方向的光束半径 j??tmo  
 反射镜2后的光束半径 <*YO~S(R  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） e~Hr(O+;e6  
 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。 G+yL;G/  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 /S/aUvN  
Igjr~@#  
ozxYH],  
+v[O  
C6)R#  
;i9>}]6  
O3ZM
:,.  
自由参数： l#6&WWmr  
 反射镜1后y方向的光束半径 Wg(bD,  
 反射镜2后的光束半径 &r:m&?!|VQ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Qcgu`]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。 _>v0R'  
$WNG07]tU  
>tEK+Y|N}  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 <9\,QR)  
(b|#n|~?YL  
PEy/k.  
结果：使用GFT+进行光束整形 p!GZCf,  
_:5=|2-E  
W^(Iw%ek  
?48AY6  
"=ElCaP}  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 l7Y8b`  
t{=i=K3  
O3+)qb!X  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 P/`m3aSzX.  
c `ud;lI  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 fqX~xp  
&9@gm--b:  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： !u%9;>T7  
a hwy_\  
kdBV1E+:C  
7(@(Hm  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {,F/KL^u  
(!ZV9S  
结果：评估光束参数 :Q=z=`*2w  
!Y|8z\Q  
d|3o
/@k  
 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。 ;24'f-Eri  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 $vqU|]J`  
>3+FZ@.iT  
QxA0I+i  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 '&)D>@g  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） = uk`pj  
!Z-9tYO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 55,=[  
X [!X>w&z|  
光束质量优化 W'V@  
1wb
Tqc  
E+Im~=m$  
 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。 %GS\1 Q%  
 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）。 XW^8A77H  
S{ey@X(  
结果：光束质量优化 qf)C%3gXI  
gjQ=8&i  
$^K]&Mft  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 4XD)E&  
Ny B&uf  
1N>6rN  
>j) w\i  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） FXeV6zfrE  
m]1!-`(*  
7:h<`_HT(X  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd TMNfJz   
|@+8]dy:l  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 0FTRm2(  
Y=3X9%v9g  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 0Ux<16#  
U|9U(il  
"NJ,0A  
 这意味着参数变化是的正态 'qdg:_L"  
mZ~mf->%  
)&XnM69~b  
r7RU"H:j8  
db<q-u  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 jzMhJ  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 WBy[m ?d  
v;Swo("  
Lr wINVa  
XynU/Go,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ~Vwk:
+):  
NoJUx['6  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） m**0rpA  
y-%nJD$  
2ve lH;  
NP$e-" 1  
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。 W^003*m~~K  
2wGF-V  
总结 +g)_4fV0|  
wH+FFXGJs  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 zjea4>!A2  
1.模拟 h-Tsi:%b  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 :jBZK=3F>  
2.研究 P8"6"}B;T  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ESn6D@"  
3.优化 <V7SSm  
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。 t'dHCp}  
4.分析 mXQl;
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 NY.}uZ  
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。 .4H_Zt[2  
txj wZ_p  
参考文献 ;R/k2^uF  
[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\&WS"=~  
Q^*G`&w,  
进一步阅读 *~"zV`*Q  
qUifw @  
进一步阅读 fL(':W&n-  
 获得入门视频 v&p,Clt-2  
- 介绍光路图 P#w}3^  
- 介绍参数运行 &7$,<9.  
 关于案例的文档 ;RNM   
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens m5X3{[a:  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens NQDLI 1o  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing w9G_>+?E  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair