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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) #Tt*NU  
     V^rL  
    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 mkrVeBp  
    lD-2 5~YV  
    .Lu3LVS  
    N Hn #c3o  
    简述案例
    {s@ 0<!  
    Kr;=4xg=  
    系统详情 MSRk|0Mcr  
    光源 *adznd  
    - 强象散VIS激光二极管 M?GkHJ%!  
     元件 .2s^8gO  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Zo }^"u  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 X *:,|  
     探测器 _O ;4>  
    - 光线可视化(3D显示) pMAP/..+2  
    - 波前差探测 sZEa8  
    - 场分布和相位计算  nF<xJs  
    - 光束参数(M2值,发散角) pM}~/  
     模拟/设计 >#Xz~xI/I  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 FCWk8/  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): +S`cUn7  
     分析和优化整形光束质量 9!kp3x/`  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 <q>d@Foi  
    `S.I,<&  
    系统说明 6> z{xYat  
    zqBzataR:  
     sFnR;  
    模拟和设计结果 g"(@+\XZH"  
    Tj{3#?]Ho  
    9v?@2sOoE  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 L]u^$=rI  
    &Yc'X+'4  
    5jUy[w @  
    scYqU7$%T  
    &U7h9o H  
    总结 &%;n 9K  
    FSAX , Y  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 WiZTE(NM`  
    1.模拟 u6Wan*I?  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 >,h{`  
    2.评估 _[-W*,xJ)  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 %>6ilG Q+  
    3.优化 ;R Jv7@  
    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。 ]61HQ  
    4.分析 SM2N3"\  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 9+xO2n  
    3vjOfr`  
    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。 ?Zsh\^k.g  
    ^SKHYo`,,N  
    详述案例 jzGK(%sw"  
    6x=w-32+ y  
    系统参数  S~E@A.7  
    8lGM>(:o  
    案例的内容和目标 6-0sBB9=u  
    ZoSyc--Bv  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 "Dc\w@`E 0  
    CV_M |  
    F&m9G >r  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 tf|;'Nc6  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 [#RFdn<  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 )0ydSz`B  
    URg;e M#  
    模拟任务:反射光束整形设置 &R?to>xr \  
    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。 \E<Qi3W>*  
    dr+(C[=  
    Y_n3O@,  
    hITYBPqRO  
    k?TZY|_  
    x[Hx.G}5+  
    规格:像散激光光束 FfrC/"N  
    &v t)7[  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 /3K)$Er  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 aq8./^  
    (V\N1T,f  
    P}UxA!  
    G &NK  
    \w>Rmf'|  
    U B~ -$\.  
    规格:柱形抛物面反射镜
    :KA)4[#;W  
                             $/tj<++W  
     有抛物面曲率的圆柱镜 b;5j awG  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 a0gg<Ml  
     曲率半径等于焦距的两倍 ~:o$}`mW  
    D}lqd Ja  
    sQkijo.  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) .UQ|k,,t  
    cNxxX!P/  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 ge.>#1f}  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) \k`9s q  
     离轴角决定了截切区域 kp*!  
    yiI oqvP  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) #asi%&3pP  
    *<y9.\z Y<  
       2,`X@N`\  
    v[{7\Hha  
    光束整形装置的光路图 F[yofR N  
    nKS*y*  
    6Aq]I$  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 D&2NO/ R  
     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。 adIrrK  
    T 4p}5ew'  
    反射光束整形系统的3D视图 X' 5R4j  
    n8=D zv0  
    jll:Rh(b  
    g3&nxZ  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Ky,upU  
     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)。 <I tS_/z  
    jOrfI-&.G  
    详述案例 l&U$L N$*e  
    0m4M@94  
    模拟和结果 { +w.Z,D"  
    4:NMZ `~  
    结果:3D系统光线扫描分析 M!Ao!D[  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 9?hZf$z  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 H1B%}G*Ir-  
    7x>^ip"7  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Ui (nMEon  
    WQ[n K5#  
    使用参数耦合来设置系统 {}k3nJfE  
    OZ e&p  
    R@z`  
    自由参数: ;hO6 p  
     反射镜1后y方向的光束半径 BlU&=;#r5>  
     反射镜2后的光束半径 !E?+1WDS0  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) nb=mY&q}~  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 }EkL[H!  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 g`S;xs  
    `vAcCahM  
    -sKtT 9o  
    oo &|(+"O_  
    d]O:VghY\  
    _v0iH   
     @9_mk@  
    自由参数: (1^;l;7H  
     反射镜1后y方向的光束半径 {TpbUj0  
     反射镜2后的光束半径 'Gc{cNbXIA  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) SF+L-R<e  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 XF)N_}X^  
    u%:`r*r  
    O{~Xp!QQt  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 B!x#|vGXL  
    9GCK3  
    tB~#;:g  
    结果:使用GFT+进行光束整形 }aE'  
    ZM-P  
    cYg J}(>}  
    qna!j|90Lp  
    ]goJ- &  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 (:OMt2{r  
    R3_OCM_*  
    p@f #fs  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 jGz~}&B  
    GLecBF+>F  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 4Xa] yA =  
    u_' -vZ_  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: iv+a5   
    Q%d%Io\-t  
    k6ry"W3  
    u3O@ccJ;  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd :E6*m\X!3  
    d;l%XZe  
    结果:评估光束参数 !nkIXgWz  
    Uvm.|p_V  
    [>a3` 0M  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 dFw+nGN  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 lPxhqF5pP  
    Fy<:iv0>t  
    eo4z!@pRN  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 %?].( Lc  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) W7uX  
    'pIrwA^6N  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd pu/5#[MC)^  
    +&VY6(Zj+*  
    光束质量优化 6Y ]P7j  
    o[_,r]%+D  
    J?m/u6  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 vi^YtA  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    GIE QD$vy  
    Ds"%=  
    结果:光束质量优化 K1J |\!o  
    p P@q `  
    bLG7{qp  
     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。 tT)s,R%  
    3GE;:;8B  
    kEC^_sO"  
    pp(09y`]  
     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。) p1d%&e  
    Cscu   
    >qNpY(Ql  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd lmHQ"z 3G  
    ~HGSA(  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 80lhhqRC  
    h.#:7d(g  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 lq_UCCnv5  
    :$u[1&6  
    *s 4Ym  
     这意味着参数变化是的正态 hR|xUp  
    5[X%17&t  
    | 8mWR=9fs  
    9FSa=<0wE  
    ](R /4  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 Nm&'&L%Ch  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 Q`8-|(ngw  
    sz270k%[  
    tL;.vRx  
    Ey: ?!  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `=hCS0F  
    };rp25i  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) i@rUZYF  
    rucw{) _  
    ',`Qx{tQ)  
    kBA.N l7  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 In?+  
    [>dDRsZ  
    总结 L3oL>r'|  
    b(|&e  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 jq]5Y^e  
    1.模拟 o?/H<k\5  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ^ wZx=kas  
    2.研究 6c^?DLy9B  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 Q]=/e7  
    3.优化 7WSP0Xyz  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 p+?`ru  
    4.分析 1SS1P0Ur  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 8 vq-|p  
    可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 I$sXbM;z=  
    | X1axRO  
    参考文献 >%`SXB& 9  
    [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). _XP}f x7$C  
    CB>W# P%  
    进一步阅读 6e\?%,H  
    1ED7 .#g  
    进一步阅读 ENqZ=Lyq  
     获得入门视频 kdGq\k,  
    - 介绍光路图  yI|x 5f  
    - 介绍参数运行 2>X yrG  
     关于案例的文档 c0e[vrP:  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens @0EY5{&  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 0#'MR.,  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing HP*{1Q@5  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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