[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） sV4tu(~  
/xbF1@XtL  
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 Hbj:CViYq  
u$ / ]59  
&!EYT0=>p  
K@u."e
aD  
简述案例 h+d;`7Z>  
^XB8A=xi  
系统详情 tcdn"]#U  
 光源 COJ!b  
- 强象散VIS激光二极管 %Yn)t3d  
 元件 .*ovIU8  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Y>m=cqR  
- 具有高斯振幅调制的光阑 JBJ7k19;  
 探测器 }EG(!)u  
- 光线可视化（3D显示） P T.jR*  
- 波前差探测 #.t{g8W\C  
- 场分布和相位计算 "$V2$  
- 光束参数（M2值，发散角） %>U*A  
 模拟/设计 VYQbyD{V w  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 g>-[-z$E3  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： `ha:Gf
 
 分析和优化整形光束质量 RL)3k8pk  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 'i-O
  
G&H"8REm  
系统说明 I*R$*/)  
Qg.:w  
PGhZ`nl  
模拟和设计结果 e[dRHl  
*/e5lRO\  
数值探测器结果 0qUap*fvC  
ABDUp:  
)t=u(:u]  
=eLb"7C#0  
Y-{BY5E.  
总结 "kg$s5o  
F}DD;K  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 OIT;fKl9  
1.模拟 ?0%TE\I8  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ay|{!MkQ  
2.评估 cT
TE]ix]  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 p>
O< "X@  
3.优化 *?"{T;4u~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。 e;[8GE.   
4.分析 3) 0~:  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 AAY UXY!  
lhj2u]yU0S  
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。 e!Okc*,  
u.FDe2|[)  
详述案例 5/ju i
t  
A\.*+k/B  
系统参数 9X` QlJ2|  
hyoZh Y  
案例的内容和目标 R!qrb26k  
N+75wtLy&  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 a $%[!vF  
;VRR=p%,  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 d~8~RT2m  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 p
tQ(7N
 
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 (*BW/.Fq  
-=IM8Dny  
模拟任务：反射光束整形设置 /D+$|kmW]  
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。 LL [>Uu?Y  
! fc)  
nWu4HFi  
oy: MM  
G'f"w5%qZv  
dR:iUw:V  
规格：像散激光光束 xv
l  
/)T
Ex}wk  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 eov-"SJ
B  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 I9>*Yy5RNS  
yRkMR$5&  
!g"9P7p  
^ni_%`Ag  
5 ZPUY  
"mK (?U!A  
规格：柱形抛物面反射镜 EZBzQ""  
                         p04+"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 U^\~{X  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Q;nr=f7Y
s  
 曲率半径等于焦距的两倍 It-*CD9  
p]=;t
"  
GR `ncI$z  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 4&fnu/,Z  
k)Wz b  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ^j}sS!p  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） wgrOW]e  
 离轴角决定了截切区域 a0\UL"z#+  
3~rc=e  
规格：参数概述（12° x 46°光束） |0p'p$%  
?UDO%`X  
   x$DJ  
Uiw7Y\Im|  
光束整形装置的光路图 *`T&Dlt'8  
!@k@7~i  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 7:'>~>'  
 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。 d.oFlT  
:PkZ(WZ9  
反射光束整形系统的3D视图 |3ETF|)?  
><c5Humr  
l&xD3u^G  
k
]pD3.QJ  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 WEAXqDjM  
 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）。 p5VSSvV\K  
z-gG(  
详述案例 #SNI dc>9\  
_!p3M3"$B  
模拟和结果 C/VYu-p%  
5T#D5Z<m  
结果：3D系统光线扫描分析 x~tQYK   
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 L-{r*ccIW  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 j],.`Y  
olxP`iK  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd of  
$VIq)s2az|  
使用参数耦合来设置系统 e/jM+%  
|9Ks13?Ck  
j88sE MZ  
自由参数： h xJgxM  
 反射镜1后y方向的光束半径 iDc|9"|Tf3  
 反射镜2后的光束半径 6FMW g:{  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） u?Mu*r?  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 de{YgN  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 *r$.1nke  
"m;]6B."  
N==_'`O1Q0  
^QR'yt3e  
FD+PD:cQn  
;I71_>m  
l0xFt ~l  
自由参数： >ImM~SR)  
 反射镜1后y方向的光束半径 B/kn&^z$|~  
 反射镜2后的光束半径 WTs[Sud/  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 1?#9Kj{ql  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 bTp2)a^G  
8Flf,"a  
?QT"sj64w  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ]pTw]SK  
m>dcb 6B+g  
HKN"$(Q  
结果：使用GFT+进行光束整形 e`M]ZGrr  
UZXcKl>u  
kS#DKo  
RTBBb:eX  
B00wcYM<1r  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
`G0rF\[  
pQ(eF0KG  
#_\MD,(  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 W)msaq,  
G,|]a#w&v.  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 iZ6C8HK&&  
;Pqyu ?  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Dke($Jr{  
SA+%c)j29  
nf.:
5I.  
zo7XmUI3P  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Dq%r !)  
^lc}FN  
结果：评估光束参数 A~GtK\=;  
>{qK]xj  
$< K)fbG  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 jw(>@SXz  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ={E!8"  
[q+e]kD  
y(3c{y@~X  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 Xtu`5p_Qv  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） PUjoi@]  
~d7Wjn$@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd }#W`<,*rL.  
'W?v.W &  
光束质量优化 VXc+Wm*W  
keQXJ0  
]%<Q:+38  
 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。 1u"*09yZd  
 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）。 XL7;^AE^Wl  
Ns!3- Y  
结果：光束质量优化 L740s[,`o#  
W93JY0Ls9|  
{~p7*
j^0  
 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。 lO2T/1iMTW  
lKV\1(`  
`zzKD2y  
h/X5w4  
 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。） U.hERe~X  
Vy% :\p+  
}6CXJ+-UR  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd "0H56#eW  
b%[nB  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 P"bknXL  
5Q$r@&qp  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 $\,BpZ }3  
5@UC c  
n-hvh-ZO  
 这意味着参数变化是的正态 ;naq-%'Sg  
Wm$`ae   
P!FEh'.  
eg2U+g4  
2]V>J  
 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。 i[2bmd!H
 
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 k'@7ZH  
0
;FqX*  
<g3du~  
-3G 4vRIo  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ws>WA{]gq  
r:c@17  
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） *^@#X-NG  
2JiA
d*WK  
<'}b*wUB  
b46[fa  
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*\]-  
"?.'{,Q  
总结 Z;GIlgK9  
G`]v_`>  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 &o
*s !u  
1.模拟 11)/] ?/j  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 $hjP}- oUX  
2.研究 h"%|\o+3  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 "U%n0r2  
3.优化 Fl_dzh,E  
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。 n+{HNr  
4.分析 Rg
B6:f,  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 f0uUbJ5  
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。 W\@?e32  

?Oy'awf_  
参考文献 +Lm3vj_N  
[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). aho'|%y)  
,4^9cFVo  
进一步阅读 PIZ C;K4|  
K*R)V/B/l  
进一步阅读 NP K#].F  
 获得入门视频 2;r]gT~  
- 介绍光路图 q2x|%HRF  
- 介绍参数运行 lx\qp`w  
 关于案例的文档 FI
]P<)*r  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens {&2$[g=[ ^  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens tcBC!_vF  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing .:}.b"%m  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair