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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) _:XX+ 3W7  
    C9%A?'`  
    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 ~. 5[  
    5n=~l[O  
    SQdK`]4  
    /p{$HkVw  
    简述案例
    qwuA[QkPi  
    ZjgfkZAS  
    系统详情 |x ir93|  
    光源 e1H2w? s  
    - 强象散VIS激光二极管 \uOR1z  
     元件 %G, d&%f  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) ~kZ? e1H  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 d`xDv$QZ  
     探测器 J)^Kls\> t  
    - 光线可视化(3D显示) F,xFeq$/{  
    - 波前差探测 AR)A <  
    - 场分布和相位计算 kI^Pu  
    - 光束参数(M2值,发散角) Y-v6M3$  
     模拟/设计 NHD`c)Q  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 (7|!%IO.  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): N}\3UHtO  
     分析和优化整形光束质量 !h+VbZ  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 -pN'r/$3V  
    o[k,{`M0  
    系统说明 9t{Iv({6p  
    NvJ}|w,Z  
    q[~+Zm  
    模拟和设计结果 %xN91j["  
    $_u)~O4$  
    s,8g^aF4  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 jY $3   
    DP &*P/  
    oN.#q$\` k  
    ;TCT%j`^o  
    jGKI|v4U(  
    总结 z?g\w6  
    $+w-r#,  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }b]z+4U a(  
    1.模拟 ft Rza  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 d6g^>}-!t  
    2.评估 j7=x&)qbx  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 HA GpM\Qa  
    3.优化 x4/f5  
    利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 MOu=  
    4.分析 VuA)Ye  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 a*{ -r]  
    -hP>;~*4  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 *l8:%t\  
    f26hB;n  
    详述案例 k`r`ZA(kQ-  
    W[oQp2 =  
    系统参数 "S0WFP\P+  
    JX2@i8[~  
    案例的内容和目标 nCdxn#|  
    J+f*D+x1  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 p7]V1w:  
    5c6?$v /  
    ,&rHBNS  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 hH=}<@z   
     之后,研究并优化整形光束的质量。 E9v_6d[  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 .#}`r`/  
    gwv s  
    模拟任务:反射光束整形设置 0tp3mYd  
    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。 |eFce/  
    sB%QqFRP  
    t(5PKD#~Dc  
    oC1Nfc+  
    {_>}K  
    l5CFm8%  
    规格:像散激光光束 @hj5j;NHK  
    M}xyW"yp  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]Qh0+!SdG  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 :6y;U  
    S3.76&  
    W60C$*h  
    I2<5#|CXpZ  
    h5VZ-v_j  
    eaCh;IpIf  
    规格:柱形抛物面反射镜
    4~mmP.c  
                             Zp <^|=D  
     有抛物面曲率的圆柱镜 8;1,saA_9  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 `w#p8vR  
     曲率半径等于焦距的两倍 \ 3HB  
    y#)ad\  
    [}Pi $at  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) h YEUiQ  
    2s<uT  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 'MY0v_  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ~mK|~x01@  
     离轴角决定了截切区域 ZBl!7_[_  
    j55;E E!  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) "=3bL>\<  
    ud:5_*  
       6z ,nt  
    N Obw/9JO  
    光束整形装置的光路图 #Zt(g(T  
    ;{f4E)t 7  
    ERz{, >G?  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ^QTtCt^:  
     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。 )HJ#|JpxC  
    |.Vs(0O  
    反射光束整形系统的3D视图 o2e gNTG  
    `T(T]^C98  
    (hFyp}jkk  
    |h* rkLY  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 {'$+?V"&  
     绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 mVNHH!  
    -wrVhCd~g]  
    详述案例 o#=@!m  
    l[u=_uaYl  
    模拟和结果 =dDr:Y<@*  
    >dYN@cB$}  
    结果:3D系统光线扫描分析 {?hpW+1,#  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 m*H' Cb  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 W2T6JFv  
    ?3Y~q;I]O  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 5}NTqN0@  
    ['jr+gIfQ  
    使用参数耦合来设置系统 s>c0K@ADO  
    "#G`F  
    ?`T-A\A=  
    自由参数: E) z=85;_p  
     反射镜1后y方向的光束半径 $i]G'fj  
     反射镜2后的光束半径 "'v^X!"  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) uN+]q qCf  
     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。 L5 Q^cY]p  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 + [~)a 4#  
    ~Y3X*  
    ckdXla  
    8Ai\T_l  
    $~)YI/b  
    8~ w P?  
    =>htX(k}  
    自由参数: gi #dSd1\&  
     反射镜1后y方向的光束半径 _:7:ixN[Ie  
     反射镜2后的光束半径 X;7hy0Y  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) E_-QGE/1  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 DVz_;m6)  
    pj#ls  
    0S2/,[-u+  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 Q:U>nm>xA  
    yZQcxg%  
    {@ Z=b 5/P  
    结果:使用GFT+进行光束整形 zyP9 n[eZ  
    9Yd"Y-   
    3*=_vl3  
    _o7t| pl~  
    @UQ421Z`  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 2;ju/9 x  
    yS1i$[JV  
    W5,&*mo  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 5 BLAa1  
    #\Zr$?t|V  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 l KG' KR.  
    2#oU2si   
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: Z ygu/M 6  
    6{!Cx9V  
    $i@I|y/  
    {"c`k4R  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd qL4s@<|~  
    2p~}<B  
    结果:评估光束参数 d9up! k  
    V5'(op/  
    H3L uRGe&2  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 hBi/lHu'  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 eZBC@y  
    72ZoN<c  
    K[yP{01  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 AQwai>eL  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) +{0v@6<(02  
    /j-c29nz  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd >t{-_4Yv?  
    9oYE  
    光束质量优化 +Fb+dU  
    d hjX[7Bl9  
    2"HG6"Rr  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 ! (Q[[M  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    7=/iFv[  
    8u%,5GV>Xr  
    结果:光束质量优化  S~bhh&  
    3 Ak'Ue  
    ,0c]/Sd*p  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 V!l?FOSZ  
    %JgdLnQE  
    (&Rql7](8  
    (D:-p:q.  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) `hdN 6PgK  
    1'N<ITb  
    v: veKA  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd yi:}UlO  
    XFYa+]B2q  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 e_"m\e#N  
    IXG@$O?y/  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 (%OZ `?`  
    -y>~ :.  
    n =WH=:&  
     这意味着参数变化是的正态 \d*ts(/a*  
    w{t]^w:  
    E*h!{)z@F  
    \t 5_V)P  
    OADW;fj  
     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。 /EG'I{oC  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 F]t=5 -O<  
    cUr!U\X[  
    w51l;2$des  
    N6v?Qzvi  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run vZW[y5   
    $s4.Aj  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) J ?EDz,  
    mz+UkA'  
    &_u.q/~   
    ^Ua6.RH8  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 .cHkh^EDY  
    ^/6P~iK'  
    总结 YWs?2I  
    P@f#DX )  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6ypLE@Mk  
    1.模拟 K7([Gc9  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ([ -i5  
    2.研究 [uK{``"  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 iPkCuLQ}  
    3.优化 h!v< J  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 uT'l.*W6i  
    4.分析 TQmrL  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 m[KmXPFht1  
    可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 PZ`11#bbm  
    Q4hY\\Hi  
    参考文献 -jy0Kl/p  
    [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). ,wM4X'] HR  
    E3l*_b0  
    进一步阅读 IRwtM'%0  
    3h:y[Vm#9y  
    进一步阅读 e0h[(3bXs$  
     获得入门视频 vg5_@7  
    - 介绍光路图 RgA"`p7{  
    - 介绍参数运行 [61*/=gWe  
     关于案例的文档 "TJ*mN.i{}  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens g&85L$   
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ~D>pu%F  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing bc4V&  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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