[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） k9 NPC"  
=X}s^KbI{  
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 (=/}i'  
RqRyZ*n  
>XK |jPK  
$7'Kc
G  
简述案例 `/L D:R  
"%]vSr  
系统详情 Vf] ;hm  
 光源 XD$;K$_7  
- 强象散VIS激光二极管 +EE(d/f  
 元件 $V2.@X  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） .YxcXe3#  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Spt;m0W90  
 探测器 X82
12[7  
- 光线可视化（3D显示） +N:=|u.g  
- 波前差探测 wA?q/cw C  
- 场分布和相位计算 Z}s56{!.  
- 光束参数（M2值，发散角） |tqYRWn0  
 模拟/设计 yjj)+eJ(Q  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 >}'WL($5U  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： gzeTBlXg  
 分析和优化整形光束质量 66%4p%#b4  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Tmr%r'i3  
z]bcg$m  
系统说明 SWPb=[WEz  
&n-)Alx  
^F4h:  
模拟和设计结果 2}jC%jR2  
J{h?=vK  
数值探测器结果 pIP^/
H  
o0\d`0-el  
5;_&C=[  
6
8,(+vkB  
!@wG22iC4d  
总结 VSW"/{Lp  
L+J)  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 K6M_b?XekA  
1.模拟 vD'YLn%Q  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 n06Jg+  
2.评估 AxZaV;%*  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 N,~"8YSo  
3.优化
}hA h'*(  
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。 UcxMA%Pw7$  
4.分析 5BsfbLKC  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 F uJ=]T  
>P[BwL]  
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。 <Pg<F[eDM  
AAPfU_: ^  
详述案例 1./iF>*A  
&=`6- J  
系统参数 WSV[)-=:  
z;+LU6V  
案例的内容和目标 <9yB& ^  
X Cf!
xIv  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 -P[bA0N,  
\\i$zRi  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 =]<JkWSk  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 fgE
Mn;  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 f%cbBx^;  
cu#s}*Ip  
模拟任务：反射光束整形设置 RuuXDuu:VL  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 =V*4&OU  
{u_2L_  
|?Bb{Es  
vg ^&j0  
l5fF.A7TT  
F}dq~QCzw  
规格：像散激光光束 r,-9]?i  
vB;$AFh{  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 rN5;W  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 6>
Ca
O  
9o|#R&0  
BLQD=?Q
  
;gmfWHB<  
;OD+6@Sr  
nH -1,#`g  
规格：柱形抛物面反射镜 j~VHU89  
                         *, RxOz2=  
 有抛物面曲率的圆柱镜 )o>1=Y`[z  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ?)V}_%fVv  
 曲率半径等于焦距的两倍 r(ufyC&  
"Ir.1FN  
B@@j-  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） <rAk"R^  
Q]NGd 0J  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [5O`  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ajMI7j^G  
 离轴角决定了截切区域 D|rcSa.M  
UZ}>
@0  
规格：参数概述（12° x 46°光束） h<ULp&g  
|nTZ/MXbw  
   D"RxI)"HP  
'I *&P5|  
光束整形装置的光路图 KQ\d$fX  
sM8AORd  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ~PAbtY9}U  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 {pof=G  
L.M|o  
反射光束整形系统的3D视图 YMEI J}  
#m<<]L(o8W  
6a\YD{D] _  
ZFsJeF'"  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 "-;l{tL  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 KB^i=+xr  
|L"!^Y#=D  
详述案例 K9+C3"*I  
;\gsd'i  
模拟和结果 oI6o$C  
={a_?l%  
结果：3D系统光线扫描分析 "TgE@bC  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 o)hQ]d  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 dfoFs&CSKh  
rtM!|apr  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \dIQhF%%2  
1~#2AdG  
使用参数耦合来设置系统 U'tfsf/V  
/ NlT[@T  
0{GpO6!  
自由参数： "x)xjL  
 反射镜1后y方向的光束半径 1TvR-.e  
 反射镜2后的光束半径 SdTJ?P+m  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /\_wDi+#  
 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。 Cp@' k;(  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 'l}T_7g  
xXktMlI  
bqt*d)$  
$"/xi `  
NHCdf*  
-^sbf.  
r6Hdp  
自由参数： Pkbx/\  
 反射镜1后y方向的光束半径 8,,$C7"EP  
 反射镜2后的光束半径 8C{mV^cn~  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） De(\<H#  
 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。 z$>_c"D  
x{X(Y]*1S  
&l=%*`On  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 a3<.F&c+c  
9p#Laei].  
wf<=rW'  
结果：使用GFT+进行光束整形 AIvIQ$6}  
K;u<-?En  
{5=Iu\
e  
bJo)rM:m  
&O'6va  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 )-_]y|/D:r  
E,[@jxP  
>_Dq)n;%  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 -];/*nl  
[`~E)B1Y  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 !c+Nf2I7S  
p. eq N  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： H?~|Uj 6  
v:Av2y  
#-_';Er\  
)5}=^aqd  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Gyak?.@R  
cu4&*{  
结果：评估光束参数 ]{r*Z6bs  
}hralef #N  
*Op;].>E  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 (3DjFT3 w  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Zr0b
Ve+h  
RnN]m!"5  
3iHUG^sLW  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 y\DR,$Py  
 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） F_9eju^|  
Q2c|sK8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd .a%D:4GYR  
k !S0-/h  
光束质量优化 0UEEvD5  
8,Jjv
*  
=l_B58wrx  
 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。 7cGc`7  
 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）。 /STFXR1@.u  
ZqhCGHy  
结果：光束质量优化 j {w'#x,  
e`pYO]Z  
|gvx^)ro  
 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。 }Fd4; ]  
y9cDPwi:b  
@l)HX'z0d  
mXd,{b'  
 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。） qB57w:J  
<9JI@\>  
poZ04Uxo>  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Lo^0VD!O  
B{UL(6\B  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 'c[[H3s!;  
+FD"8 ^YC  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 5OUGln5
 
:+%"kgJNL  
<j}n/G]  
 这意味着参数变化是的正态 S]E1+,-*  
;GW[Yw>Rz  
3*< O-
Jr  
J*Dt\[X  
D00I!D16  
 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。 RRW/.y
  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 4~mYj@lvd  
kvWP[! j?)  
0p"l}Fu@`  
: +Na8\d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run L*a:j  
C-i9F%..  
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） i3bH^WwE&k  
a$0,T_wD  
42*y27Dtm  
BHoy:Tp  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 Gk<M@d^hQ  
:@BAiKa[wa  
总结 bXVH7Fy  
=L,s6J8_'  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 pKeK6K\8  
1.模拟 [BPK0  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 _[D6WY+  
2.研究 (v<l9}!  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Gjhpi5?%8  
3.优化 d']CBoK  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 !*[Fw1-J  
4.分析 }BTK+Tk8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 O*
;$))<wX  
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。 xF:}a:c@H  
['<Q402:.  
参考文献 Mnj\t3:  
[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). 6Z09)}tZb  
!V<c:6"  
进一步阅读 5k%GjT  
D8Ntzsr6  
进一步阅读 DdUT"%  
 获得入门视频 K fM6(f:  
- 介绍光路图 K]~! =j)v  
- 介绍参数运行 Ue:LKK1Gsr  
 关于案例的文档 1!(Og~#(  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens <1t.f}}uX  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 6wIo95`  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing OoW,mmthj>  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair