[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） StZ GKY[Q  
Esx"nex  
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 sa6/$  
b`:n i   
'9@} =pE  
+OEqDXR+_  
简述案例 rnX D(  
.Y`;{)  
系统详情 X$mCn#8m  
 光源 /<zBjvr%%  
- 强象散VIS激光二极管 1j4tR#L  
 元件 fib#)KE  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） :qlc
N@_  
- 具有高斯振幅调制的光阑 DD$YMM  
 探测器 J[0o6  
- 光线可视化（3D显示） <yt|!p-tS  
- 波前差探测 b~oQhU??"  
- 场分布和相位计算 gu:8+/W8L  
- 光束参数（M2值，发散角） ':fq/k3;&  
 模拟/设计 *n]f)Jc  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 L?h'^*F H}  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ZhvZe/  
 分析和优化整形光束质量 >`{B  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 kz30! L  
,/%@:Fh4  
系统说明 z:gp\  
n VNz5B  
}X|*+<  
模拟和设计结果 )/87<Y;o  
-6KNMk  
数值探测器结果 rg5ZxN|g  
u$M,&Om  
"O (N=|b  
]wxjd l  
arWP]%E0W  
总结 WWBm*?U  
Acix`-<  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 &hnI0m=X  
1.模拟 k.5(d.*(  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -|.Izgc  
2.评估 > a?K![R  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 R"2wop  
3.优化 4-r5C5o,W  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 _/c1b>kcso  
4.分析 #lDW?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 '73g~T%$^*  
>))f;$D=  
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。 =tS#t+2S  
T%Nm  
详述案例 QKB*N)%6  
Q\moR
^>  
系统参数 T9'd?nw9  
93[&'  
案例的内容和目标 F$6JzF$|F  
~NV 8avZ  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 :w,#RcW  
!'qY  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 |PNPOj0  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 G^%FP!'D?  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 MW|*Z{6*  
)Vf!U"  
模拟任务：反射光束整形设置 g15~+;33N  
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。 QW
QJSz5  
Q94Lq~?YF  
N|5fkx<d^  
$o%:ST4  
ks|c'XQb  
Rp0`%}2 o  
规格：像散激光光束 E#zLm  
pNnZ-R|u  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 VV+gPC  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 p6c&vEsNj  
q@=3`yQ  
3YO%$  
dTrz7ay
H  
259R5X<V  
`i5\(cdl  
规格：柱形抛物面反射镜 MHqk-4Mz  
                         M/a40uK  
 有抛物面曲率的圆柱镜 E=# O|[=  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 vq` M]1]FO  
 曲率半径等于焦距的两倍 Y/<`C  
*Roqie  
>[0t@Tu,D  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 5q,ZH6\ {  
OB4nE}NO  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [[7=rn}@<  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） d=C&b]  
 离轴角决定了截切区域 91\Sb:>  
S;K5JBX0#  
规格：参数概述（12° x 46°光束） N8KH.P+  
6Z#$(oC  
   JKTn  
^xX1G_{  
光束整形装置的光路图 3EV?=R  
I~F]e|Ehqr  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 lj /IN[U/  
 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。 6]|-%  
7e:eL5f>~  
反射光束整形系统的3D视图 k+@,m\tE  
8RA  
7 -S?U~s  
'Px}#f0IR  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 puAjAvIax  
 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）。 ;_S DW  

(B0QBDj!  
详述案例 Wud-(19  
1t/mq?z:  
模拟和结果 WX* uhR  
)kEH}P&  
结果：3D系统光线扫描分析 v^dQ%+}7>  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 &3$FkU^F6  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 6~OJB!  
n0QHrIf{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd zF@[S  
=Eb$rc)
 
使用参数耦合来设置系统 z|8zNt Ug  
u'T?e
+=  
0Ibe~!EiQJ  
自由参数： b}&.IJ&40j  
 反射镜1后y方向的光束半径 Q`!^EyRA:^  
 反射镜2后的光束半径 .@0@Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） TVF:z_M9  
 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。 BvS
!P8  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 E9\u^"GVO  
:JU$6  
PqMu2 e  
_jb&=f8  
-/:!AxIH  
Dy*K;e-+  
2UG>(R:  
自由参数： d;nk>6<|  
 反射镜1后y方向的光束半径 3^iVDbAW{  
 反射镜2后的光束半径 CfT(a!;Eox  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ~ike&k{  
 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。 Lvrflx*Q  
Wuk!\<T{  
Pk;1q?tGw  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 'Ck:=V%}g  

r4ljA@L  
Jn%Etz-  
结果：使用GFT+进行光束整形 T
$sm}=  
NHcA6y$Cz  
b2H-D!YO^  
22*~CIh~x  
.Fx3WryF  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 >2v<;.  
d@tf+_Ih  
Y$#6%`*#>n  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Tb!FO"o  
$b[Ha{9(v  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 uPC(|U%  
5jv*C]z  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Fkg%_v$  
9fWR8iV  
RXo6y(^  
gtIEpYN+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,4=mlte"  
)%<,JD  
结果：评估光束参数 MdFFt:y:  
CfVL'  
%{Obhj;c  
 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。 }=B~n0  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 *\B(-  
'-mzt~zGOY  
<m

0=bm{j  
 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。 }=JSd@`_  
 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） Xpv<v[a  
^Nu j/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd qL <@PC.5  
#*%?
]B=  
光束质量优化 0+[3>Ny0  
^*+j7A.n  
138v{Z  
 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。 -0TI7 @  
 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）。 \T!,Z;zK  
`[e0_g\  
结果：光束质量优化 O.Y|},F  
!E|R3eX_  
l5]R*mR  
 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。 WYP\J1sy  
#s' `bF^  
x iz+R9p  
?NvE9+n  
 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。） !1K.HdK  
Y;i
I=U  
O S#RCN*  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd LK!sk5/  
|`pBI0Sjo  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 K:% MhH-  
9I`0`o"A  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 mY[*Cj3WJ  
wp'[AR
}  
!&cfX/y8  
 这意味着参数变化是的正态 Y+kuj],h  
f,|;eF-Z  
;JgSA&'e  
SL/'UoYm<  
wWSw0 H/  
 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。 kw} E0uY  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 *M$mAy<  
bKsEXS  
gPA8A
>U)[  
t=My=pG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run .mg0L\  
+>AVxV=A#  
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）  Lsai8 B  
VKfpk^rU  
hN*v|LFf1  
3sIdwY)ZS_  
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?T>S]xOX  
 Hyenn  
总结 *_mER`  
<%W&xk  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 tk:nth  
1.模拟 MxUQF?@6  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 >wL!`:c'"  
2.研究 O/$41mK+!  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 pAqPHD=  
3.优化 4E}Q<?UYSt  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 NPFI^Uj#A  
4.分析 Ao*:$:k  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 )~S`[jV5  
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。 $ %|b6Gr/&  
$P)-o?eer  
参考文献 t/%[U,m  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). U%Hcck'  
XbeT x  
进一步阅读 2P${5WT  
ux*G*QZ  
进一步阅读 aIr"!. 4  
 获得入门视频 Os].
IL$  
- 介绍光路图 r+6 DlT a  
- 介绍参数运行 <g\:By^  
 关于案例的文档 s jaaZx1  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ^^24a_+2  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens -UAMHd}4  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing DHyQ:0q  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair