[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） PT
7-_r  
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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 Ib(q9!L  
/a}F;^  
KTr7z^  
i^9,.$<1  
简述案例 !7C[\No(
 
X}@^$'W  
系统详情 SJg4P4|  
 光源 z>rl7&[@  
- 强象散VIS激光二极管 hXBAs*4DV8  
 元件 WrB:)Q(8=  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） V\$'3(*  
- 具有高斯振幅调制的光阑 k1l\Rywp  
 探测器 ~:`5Y"Av:  
- 光线可视化（3D显示） 'MLp*3djF,  
- 波前差探测 $T.uIq  
- 场分布和相位计算 |$*1!pL-QP  
- 光束参数（M2值，发散角） ^U"$uJz!c  
 模拟/设计 0wM2v[^YO  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ME.l{?v  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： wKxw|Fpn  
 分析和优化整形光束质量 6#[  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 (}Q
(Ux@X  
'3BBTr%aZ  
系统说明 `1}WQS  
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SlU?,)J}  
模拟和设计结果 BC:d@  
"Y%fk/
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数值探测器结果 <v&L90+s\;  
Yatd$`,hW  
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&B1j,$NRc  
'q3<R%^Q   
总结 }W2FF
  
3jSt&+  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 JVfSmxy.  
1.模拟 S2y_5XJ<D  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 B*0TM+  
2.评估 p**Sd[|  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 R[#Np`z  
3.优化 !wbO:py[8>  
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。 I/2{I  
4.分析 eILdq*  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 k4N_Pa$}\  
n["G ry  
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。 pc/x&VY%  
KgD sqwy  
详述案例 k)j6rU  
RSfB9)3D  
系统参数 qLjLfJJ2  
()'yY^   
案例的内容和目标 CvOji1  
7%j1=V/  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 53X i)  
.ZOG,h+8  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ZVX1@p  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 /Fr*k5I  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 $?Km3N\?v  
7MbV|gM}  
模拟任务：反射光束整形设置 KPi_<LuK  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 t.rlC5 k  
2v$\mL  
QLm#7ms*y  
fw&cv9X(IU  
X-4(oE  
;NoiH&  
规格：像散激光光束
 .u3;  
UuKW`(?^  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 W{$J)iQ  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }j)][{i*x  
*Uw"`l  
~XeWN^l(Ov  
sB@9L L]&|  
%!\iII  
\? n<UsI  
规格：柱形抛物面反射镜 $6l^::U  
                         ).32Im!;#R  
 有抛物面曲率的圆柱镜 A(D>Zh6o@  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 j'uzjs[  
 曲率半径等于焦距的两倍 ~hxW3e  
{i<L<Y(3  
*b4W+E  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） R
Rb>]oD  
2RU/oqmR  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 GU0[K#%  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 79z/(T
+  
 离轴角决定了截切区域 h1~/zM/`  
eemC;JV%  
规格：参数概述（12° x 46°光束） rDWwu'  
&
s8vmUt  
   :bq${  
v t_lM  
光束整形装置的光路图 *kt|CXxAS8  
bXz*g`=;  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 :sS4T&@1=  
 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。 +ovT?CMo  
j.yh>"de  
反射光束整形系统的3D视图 j;<s!A#  
Sa-" G`  
sis1Dh9:  
*`40
B6dEr  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 6`@6k2]  
 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）。 mKLWz1GZ  
rMoz+{1A  
详述案例 v*kX?J#]5  
Hf+oG  
模拟和结果 ^KJi|'B  
G|I}x/X"Q7  
结果：3D系统光线扫描分析 {
wl7&25  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ?L|Ai\|  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 3F8KF`*  
<Zo{D |hW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd !ir%Pz^)  
OYfRtfE  
使用参数耦合来设置系统 gSHN,8. `  
b%h.>ij?  

`k7X|  
自由参数： Qoa&]]  
 反射镜1后y方向的光束半径 w0O(>  
 反射镜2后的光束半径 50dx[v8  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ~Zw37C9J  
 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。 ezA&cZ5  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 jItVAmC=i  
On(.(7sNc  
6n\){dkZ~  
F9>"1  
xS;tmc  
,E8g~ZUY9  
_U o3_us  
自由参数： hG}
gKs  
 反射镜1后y方向的光束半径 I :8s3;  
 反射镜2后的光束半径 [[O4_)?el  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ~"Su2{"8B  
 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。 vCn~-Q  
j>5X^Jd  
xxG>Leml  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 <Wd_m?z  
RSx{Gbd4X  
4j(*%da  
结果：使用GFT+进行光束整形 FjW%M;H  
mln%Rd6u/  
i&-g  
RLO<5L  
+1K=]#a  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 6%V#_]  
;)vs=DK:)  
z"*3p8N  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Xif>ZL?aXb  

(S_1C,  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 `69xR[f  
{>3w"(f7o  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ItE)h[86  
?[.g~DK,  
P!!:p2fo  
v?o("I[ C  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd xv7nChB  
g@m__   
结果：评估光束参数 ")u)AQ  
FX+^S?x.  
`a8&7J(  
 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。 {D
X1/49  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 G{.A5{  
+$R%Vbd  
b(A;mt#N  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 %1M!4**W  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） ^AT#A<{1(  
@9g!5dcT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd l
gC^32y  
7 .xejz  
光束质量优化 T'7x,8&2|  
CWkAc5  
qX]ej2  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 }b>e lz  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 3ZqtIQY`  
T_qh_L3  
结果：光束质量优化 |99Z& <8f  
;zo?o t/  
2vW@d[<J  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 X'5+)dj  
aT=V/Xh}d  
`4"&_ltD  
=@k3*#\  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） {6*{P!H  
:LB< z#M  
|bmc6G[  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd mh~n#bah  
#~[mn_C  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 hF-
X8$[  
q?oJ=]m"  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 |9 4xRC  
N-GQ\&   
]GPUL>7  
 这意味着参数变化是的正态 |y2cI,&  
$]iRfXv,l!  
]I0(_e|z}  
2 Xc,c*r  
#e;\Eap  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 H@8 ;6D  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ?T:$:IHw  
%suXp,j  
*!+?%e{;b  
_xXDvBU  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run %i`YJ  
^ P=CoLFa  
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） LL=nMoS  
ACxjY2  
R P6R1iN3  
UjQi9ELoJ  
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。 "G!V?~;  
agW#"9]WM  
总结 3mM.#2=@>  
Ci^tP~)&"  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 '^.}5be&  
1.模拟 t2vo;,^euL  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 lr@H4EJ{  
2.研究 y-CVyl  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 @y`7csbp  
3.优化 & pS5_x  
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。 ;u: }rA)  
4.分析 Fh$Xcz~i  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 3:WXrOl  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 ]Q\/si&  
jP|(y]!  
参考文献 awa$o  
[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). Cdd +I5~  
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进一步阅读 dq ~=P>  
IT0*~WMZ  
进一步阅读 tmI2BBv  
 获得入门视频 (Dx]!FFz  
- 介绍光路图 1~#p3)B  
- 介绍参数运行 Qf]ACN  
 关于案例的文档 Zcn,_b7  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ,*@6NK,.  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ROHr%'owgL  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ?#917M  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair