[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） tz,FK;8  
k{~5pxd-t  
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 S
pgVsz  
&kG<LGXP#  
Dng^4VRd  
h>wU';5#f  
简述案例 ]arP6iN+  
:|a[6Uwl\V  
系统详情 ?U |lZ~o  
 光源 b{&@Lm0Tn  
- 强象散VIS激光二极管 ZU`"^FQ3A  
 元件 D)Zv  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） DsoF4&>g[B  
- 具有高斯振幅调制的光阑 mS0W@#|K  
 探测器 `JRdOe  
- 光线可视化（3D显示） @:63OLlrG  
- 波前差探测 (<h,R@:  
- 场分布和相位计算 M0|z^2  
- 光束参数（M2值，发散角） 
"jSn`  
 模拟/设计 y.zW>Mfl  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 \21!NPXH2  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： _xJ&p$&  
 分析和优化整形光束质量 C
V k8MA  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ~L2Fo~fw  
OHU(?TBo  
系统说明 99`xY$  
W/ERqVZR]  
@c.pOX[]m,  
模拟和设计结果 %\A
~w3E  
{0?

76|  
数值探测器结果 #u~8Txt  
6Pz\6DU,I  
C-8@elZ1  
=#W6+=YN8  
&:rf80`z.  
总结 5lT lZRH1  
G]{)yZ'}  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 n}"MF>zDK  
1.模拟 mz47lv1?  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ^Oo%`(D?  
2.评估 `sSI;+  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 m9r X  
3.优化 k{; 2*6b0  
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。 NOvN8.K%  
4.分析 dP82bk/e  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 B{44|aq1|  
gD-<^Q-  
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。 dI`b AP;\  
r'&VH]m  
详述案例 T!8,R{V]4  
GE|V^_|i  
系统参数 =cxjb,r  
@>:r'Fmu-  
案例的内容和目标 =oBV.BST u  
V[#jrwhA  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ,a}+Jj{  
8q_nOG
d  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Ls( &.  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 J=  T!  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 LKhUqW  
T{Av[>M  
模拟任务：反射光束整形设置 W_%Dg]l   
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。 Gx!Y 4Q}-  
XLB7 E  
&4L
rV+`$V  
KrB"2e+J  
m
k}8Cu4  
y\S}U{*Z'  
规格：像散激光光束 }}<^fM  
_G@)Bj^*  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 *5u0`k^j  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /@:I\&{f'9  
o^mW`g8[  
i!(u4wTFF  
dj 4:r!5_  
H>%K}Fh  
NSZ9M%7  
规格：柱形抛物面反射镜 u{J$]%C   
                         Nzf 
tc  
 有抛物面曲率的圆柱镜 "_W[X  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 f-^JI*hj  
 曲率半径等于焦距的两倍 S/V%<<[>p]  
)m|)cLT&  
RGsgT^  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） bZLY#g7L"  
]@0C1r  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ]v=A}}kS  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） XU_gvz  
 离轴角决定了截切区域 h:xvnyaI  
+87|gC7B  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Cs))9'cD]  
Z):q1:y  
   8MU+i%hd  
s+DOr$\  
光束整形装置的光路图 VX0}x+LJ  
DZ"'GQSg  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Xh+;$2l.B  
 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。 a]]eQ(xQ  
}]<0!q &xB  
反射光束整形系统的3D视图 A`71LV%  
I'}&s|6  
!Ah v07SI  
HAwdu1$8  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 H%pD9'q~  
 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）。 iSbPOC7  
o, PpD,,  
详述案例 $+w:W85B  
4( $p8J  
模拟和结果 2ci[L:U  
&n9&k Em  
结果：3D系统光线扫描分析 ^p)#;$6b  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 z;DNl#|!L  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Wz%H?m:g#  
ZmI0|r}QbY  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,<k%'a!B  
9A~w2z\G  
使用参数耦合来设置系统 ijP`fM8  
w p\-LO~  
<p/zm}?')  
自由参数： .dI".L  
 反射镜1后y方向的光束半径 {8>g?4Q#  
 反射镜2后的光束半径 ,.Lwtp,n  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） P?p]sLrP  
 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。 ncqAof(/  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 bgLa`8  
t W+"/<U  
_o[fjd  
hjyM xg;Q?  
}{y)a<`  
KRz~3yH{c  
{]2^b)  
自由参数： 0<7sM#sI!  
 反射镜1后y方向的光束半径 da<>a  
 反射镜2后的光束半径 aq)g&.dw?  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 9#TD1B/  
 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。 Bm
Kf%:l}  
~m_{&,CA.  
O}>@G  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 D=Q.Q  
3~{I/ft  
}4N'as/ZO  
结果：使用GFT+进行光束整形 ![;={d0  
,Kl:4 Tv  
}f;WYz5  
/5)*epF+  
P0yDL:X[  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 6@TU9AZS`  
fX]`vjM{  
$33E-^  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ?r KbL^2  
0N^+d,Xt.  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 h;,1BpbM  
^R=`<jx   
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： vhPlH0  
{
.542}A  
vn+XY=Qnr  
(P`=9+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd XVkw/l  
Xf_#O'z  
结果：评估光束参数 1^LdYO?g'  
j*@@H6G  
Mh*r)B~%[  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ]f#s`.A~  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 \o}T0YX  
w+/`l*  
0u1ZU4+EC  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 )i}j\";>L  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） GA[Ebzi  
"Yh;3tI4*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Rjq Xz6  
y92R}e\M  
光束质量优化 /1MmOB  
^#d\HI  
9T;4aP>6j#  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 :a6LfPEAX  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 q)i %*IY  
5>I-? Ki  
结果：光束质量优化 `wXK&R<`  
\= v.$u"c  
uX*2Rs$s  
 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。 is4}s,]$6  
~.aR=m\#  
sqrLys_S  
x=t
(#R m  
 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。） =SXdO)%2  
EY)2,  
6@s!J8!  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Ea&|k
O|  
h+}BtKA  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 /?eVWCR  
Wd:pqhLh  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 {4D`VfX_  
zY*9M3(X  
dymq Z<  
 这意味着参数变化是的正态 Kcm+%p^  
rP:g`?*V  
HU'Mi8xxy  
`gX|q3K\s  
&"^F;z/  
 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。 hZx&j{  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 p?i.<Z  
L}`/v]E"eU  

t(u2%R4<d  
@@AL@.*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run }|.<EkA  
~[HzGm%
  
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[x`i'0B  
M7TLQqaF  
'XK 'T\m  
.xN<<+|_v'  
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。 L,}'ST  
JT?u[pQ^  
总结 w:t~M[kTW  
>v]^nJl  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 h} `v0E  
1.模拟 Az&>.*  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 +V4)><  
2.研究 .d<K`.O;  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 rYb5#aT[  
3.优化 wZ(1\ M(  
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。 J$#T_4 )  
4.分析 ,8e'<y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 C?\(?%B  
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。 DpRMXo
[  
E_ wVAz3  
参考文献 y bhFDx  
[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). Sq5,}oT_{j  
@ap!3o8,9  
进一步阅读 ]3LLlXtK[  
w?ugZYwX*  
进一步阅读 T#ls2UL*xh  
 获得入门视频 "`qk}n-  
- 介绍光路图 tu\XuDky  
- 介绍参数运行 B4y_{V  
 关于案例的文档 2FMmANH0ev  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 3"h*
L8No  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens i!a!qE.1  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing t]h_w7!U  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair