[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） w*@Z-'(j  
vG:,oB}  
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 <)rH8]V  
k5CIU}
H"  
<WkLwP3^  
H8k| >4  
简述案例 /^ 7 9|$E  
>g=:01z9  
系统详情 $R36`wk  
 光源 c3-bn #  
- 强象散VIS激光二极管 @cNI|T  
 元件 !XceiQu  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 6 VDF@V$E  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ]^%3Y  
 探测器
/tP  
- 光线可视化（3D显示） {a%cU[q  
- 波前差探测 ^S$w,  
- 场分布和相位计算 `XY[HK  
- 光束参数（M2值，发散角） 3qZ{yr2N[  
 模拟/设计 l]cQ7
g5  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 "<b84?V5  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Gl9
a5b  
 分析和优化整形光束质量 aW5
~z^I  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 yY|U}]u!V  
V^5 t~)#46  
系统说明 =2'^:4Z  
qILr+zH  
2N#L'v@g=+  
模拟和设计结果 _~"3 LB  
=z.AQe+  
数值探测器结果 e&nw&9vo  
G9Ezm*I;:  
%VZ\4+8S  
L.[2lQ  
' 'N@ <|  
总结 vkLG<Y  
bN)?szh&Y  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1Btf)y'  
1.模拟 #UIg<:  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 so?1lG  
2.评估 " OtLJ  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 e{/\znBS%  
3.优化 7ac3N  
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。 !s:|Ddv  
4.分析 S/aPYrk>6  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 X)S4rW%  
}_x oT9HUr  
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。 I+SL0  
]2'~e,"O  
详述案例 J4; ".Y=  
n\4+xZr  
系统参数 ^,gKA\Wli  
oY: "nE  
案例的内容和目标 |@nXlZE  
j!/(9*\  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 TvR2lP  
HN! l-z  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 # L R[6l  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ^C{a'
  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Oh: -Y]m=  
ohl%<FqS  
模拟任务：反射光束整形设置 LWE !+(n  
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。 /k,p]/e  
VTdZ&%@  
a@./e @
p  
2},}R'aR  
O%I'  
[+GG Wo  
规格：像散激光光束 *V/SI E*8  
zob-z=='  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 zc"eSy< w$  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 FoLwS%+yO  
Sn]A0J_  
5`J. ic  
>=bO@)[  
WJ@,f%=<~  
9}-,dgAB  
规格：柱形抛物面反射镜 <fxYTd<#D[  
                         Y!H"
LI  
 有抛物面曲率的圆柱镜 |v+b?@  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 LYKepk  
 曲率半径等于焦距的两倍 = ~yh[@R)  
s`{O-  
[T|~Kh%#  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） %<klz)!t  
l"Css~^  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 %$08*bAtB7  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） A-<qr6q  
 离轴角决定了截切区域 83h6>D b  
x>Kem$z  
规格：参数概述（12° x 46°光束） [|3 %~s|Sv  
wo/H:3^N  
   ,[x'S>N  
SWu=n1J.?H  
光束整形装置的光路图 4-o$OI>  
Sb<=ROCg@  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 h)w<{/p(  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 82$^pg>  
X,p&S^  
反射光束整形系统的3D视图 kmf4ax h1  
Z^sO`C  
^E9@L??  
(C!fIRY  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 {W-PYHZ;  
 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）。 e='3gzz  
N%0Z> G  
详述案例 ),n?"  
V!oyC$eV  
模拟和结果 Yd
@9P2C  
<1"6`24  
结果：3D系统光线扫描分析 l|DOsI'r  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 *yB!^O  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 7Kn=[2J5k'  
LNj|t)Ov  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd `/"z.~8  
@sVBG']p  
使用参数耦合来设置系统 h7g9:10  
<#c2Hg%jh  
Z*JZUbo-Q  
自由参数： o;"!#Z 1SJ  
 反射镜1后y方向的光束半径 @x)z" )>  
 反射镜2后的光束半径 1@/+ c  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） > vgqf>)kk  
 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。 |/q*Fg[f  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 1j}o.0\  
VRD2e ,K  
$u>^A<TBN  
e Q0bx&  
0ya_[\  
[}FP_Su$6  
Jg7IGU(dct  
自由参数： ?9AByg  
 反射镜1后y方向的光束半径 'Y[\[]3[8  
 反射镜2后的光束半径 eM8u
;i  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ]E`DG  
 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。 n]
&fod  
] $5rh8  
z2-=fIr.h  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ?L|@{RS{|  
*@n%K,$v  
Xc'yz 2B  
结果：使用GFT+进行光束整形 !]W6i]p  
xe}"0'g  
w^dB1Y7c(W  
U,)+wZJ  
dlyE2MiL:  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 t
0?
\5q  
n`Cm
bM@@  
BHa!jw_~o  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 y9:|}Vh  
^5xY&1j  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 l'c|I &Y]  
TMGZHOAt  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 9erTb?@S  
#t9&X8:U  
+>{{91mN  
{R&F_51)V  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 1#XMUbFc  
F)!B%4  
结果：评估光束参数 k4eV*e8  
h}.0Ne  
b5KX`
r  
 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。 ,>e)8  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 S__+S7]Nr  
)R,*>-OPJL  
=U2`]50  
 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。 vfmKYiLp  
 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） vcq
L  
) 3Eax_?Z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd pZF`+642  
aZ- )w  
光束质量优化 Xq,{)G%9nM  
X`[or:cB  
^?w6  
 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。 0lY.z$V  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 !c'a<{d@  
'd'*4 )]k  
结果：光束质量优化 ,C!MHn^$  
,}F{V>dhn  
Y[@$1{YS  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 =[3I#s?V  
`G6Nk@9.  
NgQ {'H[Y  
>4b-NS/}0  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） `TBau:ElI  
[iB`- dE,  
Qgf\gTF$r+  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd P
]1`=-  
P
G+IC

g  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 "=N[g  
mQ:lj$Gf  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 !Zlvz%X  
x)5#*Q  
Gd%KBb  
 这意味着参数变化是的正态 ESL(Mf'  
7P|GKN~  
3I@j=:(%Y  
vSX71  
L1 O\PEeT  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 aU4v-9@U8  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 rq:R6e  
1-Sc@WXd  
*&^`Uk,[  
s:~3|D][  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run uF/l,[0v  
E0o=  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） L?23Av0W  
%nSLe~b  
7?Q<kB=f  
S8TJnv`?'  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ]Wa.k  
OjcxD5"v9  
总结 pA&CBXio  
h}nceH0s3d  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _ )b:F=4j  
1.模拟 k}(C.`.  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Hw-,sze j"  
2.研究 rd vq(\A  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
8*k#T\  
3.优化 "u@)   
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 /4}{SE  
4.分析 /r^J8B*  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 1\X1G>60m  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 0O5(\8jM  
_3i.o$GO  
参考文献 ZaIlo5  
[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). c!{v/zOz  
?ey!wcv~  
进一步阅读 &-mPj82R  
60ccQ7
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进一步阅读 5ztHar~f  
 获得入门视频 :OT~xU==H  
- 介绍光路图 6n
RX
RO  
- 介绍参数运行 .KSPr  
 关于案例的文档 Oc8]A=M12  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens t2Q40' `  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
v1*Lf/  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing G}<%%U D  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair