[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） g!FuY/%+
 
2Sle#nw3  
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 M-$%Rzl_  
zUt'QH7E.  
]MqMQLG0t  
9Uh"iMB  
简述案例 Wjo[ENHM  
ntu5{L'8  
系统详情 5us:adm[pD  
 光源 %@<8<6&q  
- 强象散VIS激光二极管 VRVO-Sk  
 元件 |O{m2Fi  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） wVvF^VHV^  
- 具有高斯振幅调制的光阑 I )~GZ  
 探测器 lz/8  
- 光线可视化（3D显示） ,dv+p&Tz2  
- 波前差探测 h!M  
- 场分布和相位计算 T"(&b~m2b4  
- 光束参数（M2值，发散角） 1m'k|Ka  
 模拟/设计 6{@w="VT  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 L\37xJo  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： eJrQ\>z]V&  
 分析和优化整形光束质量 J9..P&c\  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 nxO"ua  
kPKB|kP\  
系统说明 Je';9(
ZK  
aR[JD2G  
LHyB3V  
模拟和设计结果 Z@yW bjE7Z  
hM_lsc  
数值探测器结果 .zr-:L5{  
kc2PoJ  
l.(v^3:X  
UI0(=>L  
ru'F6?d  
总结 ?'IP4z;y  
, |0}<%  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 DMs,y{v  
1.模拟 $ux,9H'[  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 af6M,{F  
2.评估 #9=Vg  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 pXtl 6K%  
3.优化 #./fY;:cj  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 CYt?,qk-r  
4.分析 >R|/M`<ph  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 LY+@o<>  
*}Xf!"I#]N  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 M+-*QyCFK  
Zj_b>O-V  
详述案例 Eu0akqZ  
?K1/ <PE+  
系统参数 IWk4&yHUAu  
!'Ak&j1:`  
案例的内容和目标 c& <Fr[AK  
GmK^}=frj  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 |O3q@  
"x%Htq@  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Pi=+/}  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 zlyS}x@p  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 aasoW\UG  
-7SAK1c$  
模拟任务：反射光束整形设置 "WlZ)wyF%  
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。 P=qa::A  
S2E8Gq9  
AWcLUe{  
qjwxhabc  
{M3qLf~z#C  
I
g$(3p  
规格：像散激光光束 Nv$R\'3  
r`$OO,W  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Yy5h"r  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 q~ tz? T_  
(XVw"m/ye  
E~,F  
a@8v^
G  
% BVs47g  
Gw=B:kGk  
规格：柱形抛物面反射镜 ^9m\=5d  
                         >1s* at/h  
 有抛物面曲率的圆柱镜 toLV4BtIG  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 t9nqu!);  
 曲率半径等于焦距的两倍 7Sf bx~48  
!1rlN8w(qr  
,aOl_o -&  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） H-WJp<_  
Moy <@+  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ?U%QG5/>  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ^/)^7\@  
 离轴角决定了截切区域 i3dkYevs?  
-] LY,M  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 4hO!\5-w:  
7jxs
lI&F  
   RW|`nL  
6wPaJbRtaM  
光束整形装置的光路图 :Hn6b$Vy8  
au N6prGe  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 VdPtPq1  
 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。 Az9?Ra;U  
\<.+rqa!  
反射光束整形系统的3D视图 l#m#c6;=  
>i_2OV  
?TM,Q  
H[{F'c[e  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 UXeN
8  
 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）。 f6EZ( v  
B%
" d~5Y  
详述案例 WeJl4wF  
T m,b
,hi$  
模拟和结果 @>u]4Jn  
8N!b>??  
结果：3D系统光线扫描分析 =w;F<M|Y  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 [V^WGW2oY  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 vmi+_]  
&?W0mW(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd lun#^J  

_?<|{O  
使用参数耦合来设置系统 .nB0 h  
< nXL  
>5_2_Y$"  
自由参数： vY4\59]P  
 反射镜1后y方向的光束半径 7[w,:9& }  
 反射镜2后的光束半径 ?b*s. ^  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） B,<da1(a  
 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。 Ed"h16j?z  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 F{Z~ R  

0QFS
 
g@rb  
gaQdG=G8$
 
7_%"BVb"  
4F)-"ck  
ZNJ@F<  
自由参数： $Oq^jUJ  
 反射镜1后y方向的光束半径 uPhK3nCGo  
 反射镜2后的光束半径 ,3?Q(=j  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 3XL#0\im?s  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 x8wD0D  
OPwtV9%  
(^s>m,h  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 MTsM]o  
ZU85
P0  
"k/;[ Wt]  
结果：使用GFT+进行光束整形 AB=daie  
mlixIW2  
t=|evOz]  
9zZr^{lUl  
lH-/L(h2  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 T29Dt  
}&/o'w2wY  
rv&<{@AS~  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 sA/pVU  
`JOOnTenQ  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Kw-gojZ  
=5Q]m6-SgV  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ?>
hPO73{  
}B8IBveu  
YwteZSbp6M  
(mgS"zPS  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >Nvjl~o5  
J]v%q,"  
结果：评估光束参数 NYE`Kin-  
q ]M+/sl  
18~>ZR  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
!>v2
i"  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ^=T$&gD  
gGr^@=;YC  
wLmhy,
 
 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。 Nd`%5%'::  
 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） )T';qm0w  
E^QlJ8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ,u!*2cWN  
|rJ=Ksc
 
光束质量优化 |?rNy=P,  
>_e]C}QUr  
Q o?O:  
 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。 4xk|F'
6K  
 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）。 Ey_" ~OB  
g}f`,r9
  
结果：光束质量优化 *FC=X)_&W  
L%BNz3:Dt  
k40* e\  
 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。 2r!s*b\Ix  
[K9'<Qnu  
AmaT0tzJC  
8)O[Aq::  
 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。） xgpi-l  
vI2^tX9  
crqpV F]1]  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Qy.w=80kf  
>_o}  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 XM1WfjE\  
S'A>2>  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ~Q?a|mV,  
zhpx"{_  
T^w36}a  
 这意味着参数变化是的正态 S/^"@?z,vE  
9{-EJ)  
e?opkq\f  
'XZ)!1N  
MOsl_^c  
 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。 9/hrjItV  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 kB/D!1 "  
U'R)x";=  
gUxP>hB  
@n(Z$)8tR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run *$p2*%7Ne  
+VCGlr  
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） &GlwC%$S  
MO&}r7qq  
hvA^n@nr  
<z]cy
Xv/  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 \<y`!"c  
pcYG~pZ9  
总结 >iD )eB  
: y5<go8e  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 I 6<*X  
1.模拟 )6+eNsxMlC  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 L1ieaKw  
2.研究 NbC@z9Q  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 |55N?=8  
3.优化 5D_fXfx_|  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 h<Ft_#|o[  
4.分析 i|T)p_y(!a  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ]T;EdK-  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 sB^<6W!`(  
Ys,{8Y,7  
参考文献 &K/ya7  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). qxFB%KqU  
#;%JT   
进一步阅读 '[C.|)"  
UVw~8o9s  
进一步阅读 4F{)i  
 获得入门视频 Xb{ [c+.  
- 介绍光路图 ^1Zeb$Nw'  
- 介绍参数运行 9T|IvQK8  
 关于案例的文档 ]@uE#a:[  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ZCB_  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens !1q 9+e  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 5e$~)
fL  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair