[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） j[HKC0C6  
L"Gi
~:z  
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 tyDtwV|  
d-*9tit  
_I!Xr!!)a0  
ZN)/doK  
简述案例 -Rvxjy)[N  
WDX?|q9rCt  
系统详情 =#u2Rx%V  
 光源 U!'l
c}5  
- 强象散VIS激光二极管 u1"e+4f  
 元件 646yeQ1  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） +-Dd*yD6<  
- 具有高斯振幅调制的光阑 lz*PNT{E  
 探测器 CxRp$;rk  
- 光线可视化（3D显示） u7;A`  
- 波前差探测 pqs)ueu  
- 场分布和相位计算 @U)'UrNr~  
- 光束参数（M2值，发散角） GWW@8GNI  
 模拟/设计 pta%%8":  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
U%4g:s  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： *Z]| Z4Q/`  
 分析和优化整形光束质量 izKk@{Md  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 w(yU\ N  

,VZ&
Gc  
系统说明 r:q#l~;^  
b'OO~>86  
EK'&S=]  
模拟和设计结果 e%P;Jj476  
7mjj%  
数值探测器结果 8N`$7^^  
e!8_3BE  
d5%*
^nMpY  
/;0>*
ft4  
{aL$vgYT1  
总结 =6dKC_Q  
HB}gn2.1&  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ^M9oTNk2  
1.模拟 ~ /[Cgh0  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 mx[^LaR>v  
2.评估 So^`L s;
S  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )L!R~F C  
3.优化 @
Otc$hj  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 +,[3a%c)H  
4.分析 q+z\Y?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ]~zJ
7I  
pd1m/:  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 NQJqS?^W&M  
L,Nr,QC-  
详述案例 .g#=~{A  
EVL;"   
系统参数 OW}A48X[+  
&V3oW1*W  
案例的内容和目标 i6CY
D  
t/1NTa  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 PPPwDsJ  
Vr1
|%*0Tv  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Sg$\ab$  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 0%F.]+6[O4  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 713M4CtJ  
6y_Z'@L  
模拟任务：反射光束整形设置 LPn}QzH  
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~`H^  
Uq.~3V+u  
|w2AB7EU  
pCUOeQL(  
N)*e^Nfb  
mv.I.EL  
规格：像散激光光束 Nj_sU0Dt  
"V0:Lq  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 )JQQ4D  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 A4FDR#  
ebe@.ZVSi  
*F*fH>?C#  
$tHwJ!<$&  
vx@p;1RU`  
GKhwn&qCKb  
规格：柱形抛物面反射镜 6a7iLQA  
                         @%nUfG7T
Q  
 有抛物面曲率的圆柱镜 +fQL~0tA  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ^(JHRH~=h  
 曲率半径等于焦距的两倍 AdW2o|Uap  
/7@2Qc2  
V8$bPVps  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） [0ffOTy  
].P(/~FS9  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 h&M RQno  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） _1> 4Q%  
 离轴角决定了截切区域 5b`xN!c  
ONq/JW$?LV  
规格：参数概述（12° x 46°光束） xO-U]%oq  
<1+6O[>{  
   Pd "mb~  
{dx /p-Tv  
光束整形装置的光路图 v6-~fcX0G  
s|j<b#<xQ  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 h_chZB
'  
 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。 (g/
X(3  
pb6^sA%l  
反射光束整形系统的3D视图 `6N-MsP  
e_k _ty`  
$:E}Nj]{&  
if[o?6U4t  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 N3yB1_   
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 EKd3$(^  
a!y,!EB+Qu  
详述案例 Wj j2J8B  
E'^]zW=9  
模拟和结果 :n4:@L<%H  
h@,e`Z  
结果：3D系统光线扫描分析 )*K<;WIWH  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 n*i'vtQ8  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 T$^>Fiz{Se  
X'#$e{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd k g,ys4  
Ls>u`hG  
使用参数耦合来设置系统 blfE9Oy  
HCx%_9xlm  
.5!sOOs$P  
自由参数： ,M@m4bx  
 反射镜1后y方向的光束半径 |pH* CCA  
 反射镜2后的光束半径 s1Tl.p5  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /iTUex7T  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 BgkB x  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 l!;_lH8W$  
KZ!N{.Jk  
02W4-*)  
EID)o[<
  
HZDaV&)@  
0Z A#T:4  
6L8tz8  
自由参数： K=c=/`E  
 反射镜1后y方向的光束半径 d
{2y/  
 反射镜2后的光束半径 YBtq0c  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） DrCWvpudd  
 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。 {\svV 0)~  
c}IX"  
GS
GyF  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 \,l.p_<  
[+%d3+27  
m@G<ZCMZ  
结果：使用GFT+进行光束整形 AB2mt:^  
Q7uAf3  
&e-#|p#v  
nIyROhZ  
O&#S4]Y   
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ~m?74^ i  
jr,&=C(  
{d1N&  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 3?.1~"-J  
vo(g0Au)  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 @V* ju  
lL(p]!K'  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： I|g@
W_  
G2CZwm{/f  
c<=`<!FS[  
?kL|>1TY  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd p^KlH=1n.6  
V3>f*Z)xn  
结果：评估光束参数 xvwD3.1  
S'Z70 zJ  
MkG`w,  
 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。 ?G$Om  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 {D_++^  
^))PCn_zb  
KTG:I@|C  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 eJU;*] xfH  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） xm<v"><  
Z/2,al\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd FX HAZ2/\  
9J~:m$.  
光束质量优化 MU_!&(X_  
)-bD2YA{  
81GQijq  
 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。 #4P8
Rzl$/  
 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）。 K\RWC4  
oL
gg  
结果：光束质量优化 b#D9eJhS  
yGba  
zKIGWH=qqm  
 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。 F(Lb8\to\M  
WGH%92  
[Ja)<!]<  
)Rjb/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。） E]?)FH<oP  
3jvx2  
J.1O/Pw!.a  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd R[x7QlA;  
jCU=+b=  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 x&at^Fp  
iI3v[S  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 &MCy.(jN  
AXz-4,=xX  
QB!jLlg(  
 这意味着参数变化是的正态 yC0C`oC  
*8z"^7?^=  
V?OuIg%=:  
hS4.3]ei  
;avQ1T'{?g  
 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。 _b>F#nD,'%  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 
>BBl7  
%1Yz'AiW[  
? m&IF<b  
 }VF#\q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run OkLz^R?d  
r]v&t  
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） 9/#0
?(K8  
b)N[[
sOt  
G 0hYFc u  
$30oc Tt{  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 M(yH%i^A  
M)L/d_4ka  
总结 *RBV'b  
)IQ*  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3filAGR?  
1.模拟 d^PD#&"g  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 1n_;kaY  
2.研究 u^Vh.g]  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 uS~#4;R   
3.优化 ;(7-WnU8N  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 <$%ql'=  
4.分析 WZq,()h  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 q
pI]R  
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。 -LTKpN`[@  
~/2g)IS  
参考文献 1pK6=-3w3  
[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). ylu2R0] (  
5y]io Jc9-  
进一步阅读 [u`6^TycP  
Y(_KizBY  
进一步阅读 Wbe0ZnM]  
 获得入门视频 9RH"d[%yc}  
- 介绍光路图 $xT1 1 ^  
- 介绍参数运行 L7]]ZAH!1  
 关于案例的文档 K1OkZ6kl  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens n#4Gv|{XMD  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens b^x07lO  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 6gnbkpYi  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair