[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） IFcxyp  
G0oY`WXOB  
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 3=5K7F  
ajC'C!"^Ty  
9>yLSM,!rS  
N[~{'i  
简述案例 ?oana%  
AFE6@/'  
系统详情 [EI~/#;  
 光源 UF0W%Z  
- 强象散VIS激光二极管 qB6@OS  
 元件 Jmrs@  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） cyrVz4_a  
- 具有高斯振幅调制的光阑 hsG~xRA\  
 探测器 5b>-t#N,  
- 光线可视化（3D显示） a~q_2S]h  
- 波前差探测 *j5>2-C &  
- 场分布和相位计算 jBZlNEw  
- 光束参数（M2值，发散角） -AnQZy  
 模拟/设计 4wYD-MB  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 c%y(Z5  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： x\PZ.o  
 分析和优化整形光束质量 JjA3G`m=  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 mApn[)?tv  
FvYgpbEZ  
系统说明 [.J&@96,b  
lS@0 $  
\ #<.&`8B  
模拟和设计结果 i7$4i|  
W>f q 9  
数值探测器结果 z=mH\!  
21NGsG  
$HgBzZ7A2  
SnIH6k0T_  
],`xd_=]=  
总结 e&~vO| 3w%  
_y>mmE   
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ] V|hDU=t  
1.模拟 [|iWLPO1&k  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 y8
*MNw  
2.评估 J)7\k$D  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 D5Zgi!  
3.优化 k;5$]^x  
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。 #(@!:f1  
4.分析 "PgVvm#w'  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 l5h+:^#M5c  
L`'#}#O l  
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。 ,+w9_Gy2H  
C@x\ZG5rA  
详述案例 1Vf?Rw  
/80H.|8O  
系统参数 m(>MP/  
(g"
{A  
案例的内容和目标 8y:/!rRN  
KA $jG{yq  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 G)|Xj70  
aE|'%72g  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 [8C|v61Y  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 tIK`/)w,  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 LNz  
Xr:gm`[  
模拟任务：反射光束整形设置 gB _/(  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 In[rxT~K}Q  
~];r{IU  
*wk?{ U  
Sp7VH+  
]I,(^Xq3a(  
!S.O~Kq  
规格：像散激光光束 #B!|sXC  
n;@.eC,T/  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ZLj
EH7  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }_/]f!]  
sX@}4[)<&  
RWg'W,v=!  
?rm3Iac0S  
Ln'y 3~@  
zqHG2:MN"  
规格：柱形抛物面反射镜  \gsJ1@  
                         zif&;)wV/  
 有抛物面曲率的圆柱镜 }/w]+f*  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 F50l->F2&  
 曲率半径等于焦距的两倍 Sj ly]  
-uKTEG[  
_<E.?K$gbU  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） {|d28!8w  
5cvvdO*C0  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 #<LJns\t   
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） (*M*muk  
 离轴角决定了截切区域 /78zs-  
}qw->+nD  
规格：参数概述（12° x 46°光束） e#U@n j6  
)x,/+R]{8l  
   !/a![Ne  
HA J[Y3d<  
光束整形装置的光路图 {Gr"lOi*@  

{/FdrS  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 5tI#UBha  
 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。 "{S6iH)]8  
lak,lDt]  
反射光束整形系统的3D视图 mm9uhlV8  
s{Og3qUy  
csd9[=HW/Q  
iT;Ld $!{f  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 vX7U|zy  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 LOgFi%!6:  
}4g$aTc  
详述案例 soRYM  
dB)-qL8,2  
模拟和结果
=H`yz

Gt  
Z2L7US-  
结果：3D系统光线扫描分析 i[?VF\Y(  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 sf0\#Q  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ]K3bDU~  
04WxV(fo'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd h<Ct[46,S  
(rc7Cp3  
使用参数耦合来设置系统 l^XOW- ;u  
cyLl,OA  
S0Ur{!9\#^  
自由参数： Ge @qvP_  
 反射镜1后y方向的光束半径 F( 4Ue6R  
 反射镜2后的光束半径 QE8`nMf  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） VJ8'T"^Hf  
 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。 BoQ%QV69%  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 fP[S.7F+No  
FWB *=.A9  
]WzeJ"r {3  
-%0pYB  
YV _ 7 .+A  
gKY
6S?  
bsm/y+R  
自由参数： qqJghV$Oj  
 反射镜1后y方向的光束半径 #sg*GK+|:R  
 反射镜2后的光束半径 rq^%)tR  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） em95ccs'-  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 blWtC/!Aq;  
ySB0"bl  
wMw}3qX$j  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 @U4hq7xzV2  
n|pdYe8\  
"hQGk  
结果：使用GFT+进行光束整形 ?K;l 5$?%  
2~4&4  
6yBd9=3K  
Y]*&\Ex"\  
FW5v 1s=  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 tot~\S  
(c&%1bJ  
,a?oGi  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 )7]yzc  
nbB*d@"  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 x N7sFSV@  
BzzZ.AH~  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ZW9OPwV  
?:M4GY"gV  
AAs&P+;  
&XdTY +  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd NM^uP+uS  
j
V9oTH-  
结果：评估光束参数 j:qexhtho  
Mo<q(_ZeRP  
Be6+YM5Cl  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 n*Dn{ 7v#z  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 _si5z  
-%]1q#C>@  
+Z2XP76(4A  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 =E>P,"D  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） Y8^Wu
N$  
A^p{Cq@E  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd %LzARTX
 
!V(r p80  
光束质量优化 f1v4h[)-
  
_9t1aP5  
F~qZIggD  
 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。 )`(]jx!  
 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）。 dCS f$5  
j}B86oX  
结果：光束质量优化 }IZw6KiN  
-|^)8  
b1cVAfUP  
 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。 Ncsh{.
  
4xq|  
N6of$p'N  
Y)]C.V,~  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） Vs{\ YfF  
czU"  
;1PJS_@rX  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 5-$D<}Z  
;3wO1'=  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 rm9>gKN;#  
p/RT*?<   
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 '8\9@wzv  
?>7-a~*A@  
9M3"'^ {$  
 这意味着参数变化是的正态 /5/gnpC  
ZAU#^bEQB  
G`kz 0Vk  
W+6
3B8)4  
;*t#:U*  
 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。 aA52Li
  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 (AtyM?*  
2nC,1%kxhq  
:>;F4gGVG  
;Su-Y!&%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run pc0{  
v\4<6Z:4  
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） {4,],0bjx/  
w
iZ  
pvsa?z;rP  
V`#
2jDz  
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。 o h\$u5  
[RN]?,  
总结 7+hF1eoI  
&e:+;7  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 [%^sl>,7  
1.模拟 85H\v_[  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 >@Ht*h{~  
2.研究 +Tu?PuT7k  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 n`&D_AbQ  
3.优化 eBnx$  
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。 oo2d,  
4.分析 CN:T$ f|)  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 nL/]
Q'(5  
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。 NT.#U?9c  
)]FXUz|;  
参考文献 +sjzT[ Dn  
[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). 6{]F#ig=  
@}g3\xLiK  
进一步阅读 fxPg"R!1i  
3MNM<Ih  
进一步阅读 4xmJQ>/  
 获得入门视频 j\~,Gtn>Z  
- 介绍光路图 o4WQA"VxM  
- 介绍参数运行 yiC7)=  
 关于案例的文档 wCNn/%C  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 2I}pX9  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens A8vd@0  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 4BCe;Q^6  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair