[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） re$xeq\1P?  
ixf~3Y8  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 \$iU#Z  
]+!{^h$  
0|D^_1W`R  
d"P\ =`+  
简述案例 I"4Lma  
R
?/!7  
系统详情 U)P
NY  
 光源 p H5iv>H  
- 强象散VIS激光二极管 &$,%6X"  
 元件 Hju7gP=y}  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） !bPsJbIo>  
- 具有高斯振幅调制的光阑 "X.JD  
 探测器 _`H2CXGg  
- 光线可视化（3D显示） dv_& ei  
- 波前差探测 s%{8$>8V.  
- 场分布和相位计算 v4pFts$J  
- 光束参数（M2值，发散角） {1<XOp#b  
 模拟/设计 CSA.6uIT  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 5*q!:$ W  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： BJ c'4>  
 分析和优化整形光束质量 E!,+#%O>  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 e13{G@  
&?#,rEw<x  
系统说明 wa#$9p~Q  
o9j*Yz  
1feZ`P;  
模拟和设计结果 %X--`91|u  
{N \ri{|  
数值探测器结果 tU5Z?QS  
'T '&OA  
aZk/\&=6  
]d}h`!:  
WT-BH
B1  
总结 -=tf)  
yR`X3.:*]  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 yU e7o4Zm  
1.模拟 ed=pRb  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ]YO &_#  
2.评估 &gDwsW  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 3y[uH'  
3.优化 e(5:XHe  
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。 ?)Psf/  
4.分析 3N5un`K7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 CJDnHuozc  
\z~wm&  
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。 q{fgsc8v\  
e%Sw(=a  
详述案例 z]^u@]@NC  
U)f;*{U  
系统参数 MRI`h.  
'=M4(h  
案例的内容和目标 K4r"Q*h  
w,6zbI/  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 -L.U4x  

)\k({S  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 dGNg[  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 q_hkI]  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 F+c4v A})  
oHW:s96e  
模拟任务：反射光束整形设置 |8|_^`  
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。 &B3[:nS2  
3pV^Oe^9  
cE|Z=}4I7  
(i 3=XfZ!C  
&=KNKE`  
2;v1YKY  
规格：像散激光光束 ;Nd,K C0k  
<kmH^viX  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 fMRv:kNAt  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 qwERy{]Sp;  
AjW5H*  
@`IMR$'  
#Yqj27&  
oB$P6
 
1-h"1UN2E  
规格：柱形抛物面反射镜 ,>AA2@6zMT  
                         d'x'hp
%  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Xf"B\%,(`  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 bg =<)s  
 曲率半径等于焦距的两倍 /^2&@P7  
vmY 88Kx&S  
gf&\)"  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 5Nt40)E}sN  
si!jB%^  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 .8v[ss6:  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ?k}"g$JFn  
 离轴角决定了截切区域 S5,y!K]C~  
%mO.ur>21  
规格：参数概述（12° x 46°光束） =!~6RwwwY  
~+HZQv3Y  
   6>hW.aq}  
_wY<8 F*  
光束整形装置的光路图 Z ZMz0^V  
HQ7  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 )J"*[[e  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 3jJd)C R  
KkCA*GS  
反射光束整形系统的3D视图 FUD M]:XQ  
,WA[HwY-  
N!TC}#}l  
Mq#sSBE<K  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 b.4H4LV  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 Q|CLis-  
Wpdn^=dhL  
详述案例 2H]~X9,z2  
mDG=h6y"V  
模拟和结果 0&W*U{0F\  
*=KX0%3  
结果：3D系统光线扫描分析 c:@lR/oe"  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 F.DR
Gi.i  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 U.kTd
NSp  
v!~;QO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd vz*'1ugaA  
7R{(\s\9:  
使用参数耦合来设置系统 VOa7qnh4:[  
"fq8)  
rDEdMT  
自由参数： <jk.9$\$A  
 反射镜1后y方向的光束半径 
i
+Fk  
 反射镜2后的光束半径 - / tzt  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） $Rd]eC  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 rmq^P;
At  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 {0ozpE*(  
)d^b\On  
"(QI7:iM  
H*
H=a  
>(9"D8  
@Q%g#N  
R3<2Z0lqy  
自由参数： 8YLS/dN0 w  
 反射镜1后y方向的光束半径 8K;wX%_,  
 反射镜2后的光束半径 G^6\OOSy  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） `SN?4;N0  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 @&4s)&-F  
V1 :aR3*!  
W4ygJL7 6  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 UomO^P  
pRTdP/(OQ  
qUuvM  
结果：使用GFT+进行光束整形 /Sn>{ &  
B+pJWl8u  
z"*$ .  
c8=@s#  
}w
%W A&"W  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 E{#Y=  
(F.vVldBy  
n~e#Y<IP\1  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 #ozQF~
 
[-pB}1Dxb  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ;<~lzfs
 
I,Z'ed..  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： !arTR.b\  
;=ci7IT'  
rjJ-ZRs\  
+P//p$pE
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd e|~s'{3  
/EXubU73  
结果：评估光束参数 1$^=M[v  
y9@DlK  
%J 'RO
 
 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。 $S(q;Y  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Ts~)0  
320g!r  
UB7H`)C}  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 Pp9nilb_(  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） (qky&}H  
~l@-g
Ayw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 5(}Qg9%  
Wt8=j1>  
光束质量优化 4t<l9Ilp  
G._E9  
^1 P@BRh  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 s/=.a2\  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 MGGc  
61}hB>TT:  
结果：光束质量优化 |x ~<Dc>0*  
|n_es)A  
"VfV;)]|w  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 J91O$szA  
/j`vN  
}s7ibm'  
zs_^m1t1s  
 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。） ~LKX2Q:S  
'r2VWavT  
oB8x_0#n  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd my|UlZ(qg  
e=<%{M&  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 RlH~<|XK  
jRv j:H9  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 [Tq\K ^!^  
;%V%6:5  
z12c9k%s  
 这意味着参数变化是的正态 UFED*al#  
fjh0Z i45  
]mW)T0_  
1~x=bphS  
DwL4?
!E  
 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。 :le"FFfk  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 dLtn,qCX0^  
]("5O V5  
;Npv 2yAab  
\s[/{3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run r,`59  
j
P-=
x(  
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） h{sY5d'D  
q[}[w!to  
w?+v+k\  
KP[H&4eoC  
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。 eZr}xo@9  
VgSk\:t  
总结 U/|H%b  
#n[1%8l,  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
pNHO;N[&  
1.模拟 6,C,LT2^(  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 $)5-}NJf'  
2.研究 i~k9s  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ,
3zF_y(*Y  
3.优化
}#rdMh  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 l9 |x7GB  
4.分析 l/JE}Eg(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 fnUR]5\tc  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 rX*ATN  
J01Y%W  
参考文献 G|p3NhLgO=  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 3gn)q>Xj$  
y,*>+xk,  
进一步阅读
Eoj 2l&\  
L-LN+6r(#  
进一步阅读 #()u=)
 
 获得入门视频 ma\UJz  
- 介绍光路图 eqyZ|6  
- 介绍参数运行 WB=pRC@  
 关于案例的文档 sp0j2<$a  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens qXGAlCq@  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 9 pGND]tIi  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing O>E2G]K]\  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair