[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） dM -<aq  
;wHyX)&X$  
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 ND3|wQ`M0  
=Q# (2  
8NWuhRRrw  
X4k|k>  
简述案例 R<r,&X?m  
7$Cv=8  
系统详情 DRVvC~M-,  
 光源 gd0a,_`M  
- 强象散VIS激光二极管 /mn'9=ks  
 元件 7a4Z~r27/  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Wq25,M'  
- 具有高斯振幅调制的光阑 e\ZV^h}TQ  
 探测器 GG4FS  
- 光线可视化（3D显示） B;<zA' 1  
- 波前差探测 H=XdgOui  
- 场分布和相位计算 u`*1OqU  
- 光束参数（M2值，发散角） HSACaTVK  
 模拟/设计 [t?:CgI)E  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 MMQ\V(C  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ;Yt'$D*CP  
 分析和优化整形光束质量 Pp;OkI``[  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Q+IB&LdE  
,H/BW`rL]#  
系统说明 ,y)V5 c1  
.
07kG]  
uOx"oR|  
模拟和设计结果 a!&<jM  
t&o&gb  
数值探测器结果 1#XZVp;M  
\XbCJJP  
Ibv`/8xh  
WXa<(\S\V  
Bl+PJ 0  
总结 fKkS_c 2  
EiPOY'  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .aC/ g?U  
1.模拟 4@jX{{^6%  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 8&y#LeM1TT  
2.评估 F ^)( 7}ph  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 gZL,xX  
3.优化 5QG?*Z~?7  
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。 ^= qL[S6/M  
4.分析 MwD8a<2Dg  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 QRdh2YH`  
Ee{Y1W  
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。 > q8)~  
}4q1"iMlO  
详述案例 ' $"RQ=  
r_Pi)MPc  
系统参数 dSE"G>l8  
NqN}] nu6  
案例的内容和目标 `>HrO}x^  
2zkOs:  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 eY
`o=xN  
XJA];9^  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 3 5p)e c  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 acow  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 =DXN`]uN  
qy/t<2'  
模拟任务：反射光束整形设置 dlioaYc  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 O-n JuZJgX  
=F46v{la  
rb]?"lizi  
^(Wu$\SA  
YLb$/6gj6  
5wC,:c[H7  
规格：像散激光光束 kK.[v'[>&  
&& b;Wr  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ,#j'~-5  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 sV]I]DR  
[G"Va_A8  
[
6\b(kS+  
ULzrJbP'7  
A(+%DZ  
CsN^u H
 
规格：柱形抛物面反射镜 a2eE!I  
                         lLS7K8;4W  
 有抛物面曲率的圆柱镜 f%rZ2h)  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 /])P{"v$^  
 曲率半径等于焦距的两倍 (P-$tHt  
">vi=Tr  
A5L
zd  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） $#E!/vVwD7  
aAgQ^LY  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 wv^n#  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 7\yh<?`V8  
 离轴角决定了截切区域 _7'5IA  
sEi9<$~R@0  
规格：参数概述（12° x 46°光束） xcH&B%;f  
E[<*Al+N  
   WJN
)<+d  
9^@)R ED  
光束整形装置的光路图 #gXxBM  
I8uFMP  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Zr[B*1,ZV  
 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。 |mcc?*%t8  
]88qjKL  
反射光束整形系统的3D视图 <jBRUa[j_  
~EU\\;1Rmq  
ygQe'S{!S\  
L2OR<3*|Av  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 e0hY   
 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）。 6w[EJ;=p_  
*q+X?3  
详述案例 me-uPm  
gyuBmY  
模拟和结果 [pInF Qh6  
P~%+K
xwZQ  
结果：3D系统光线扫描分析 5G
GO:
  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 nlA
:C>=  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 'c# }^@G  
gU1Pb]]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {(I":rt#  
!;0K=~(Y^  
使用参数耦合来设置系统 "F[7b!>R  
W2'!Pc,W  
 K
~B  
自由参数： /Q_Dd  
 反射镜1后y方向的光束半径 -gUp/#l1  
 反射镜2后的光束半径 ij
;P5OA  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (e0(GOqf4  
 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。 6[SIDOp*^  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 opMnLor  

:>U+HQll  
dFyGI?  
h~ZLULW)B  
@0d"^  

_
W^;a  
Nd&UWk^  
自由参数： U_l9CZ  
 反射镜1后y方向的光束半径 3R0ioi 7  
 反射镜2后的光束半径 IdK<:)Q
 
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） lqKj;'  
 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。 ~]q>}/&YLo  
xF@&wg  
ambr}+}  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 )]s<Czm%  
D:/q<<|  
e[s}tjx  
结果：使用GFT+进行光束整形 ~clX2U8u`  
6?;z\AP&  
Pc2!OQC'""  
O1bW, n(  
AI`k }sA~  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 xiDgQTDz  
B(ktIy  
5OzEY7K)  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 }>d  
+@
~WKa  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 I]E 3&gnC  
/;Hr{f jl{  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： `j(._`8%a  
O1S7t)ag  
ts9wSx~[+  
{ywwJ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Jv+w{"&  
Q;g7<w17  
结果：评估光束参数 O9ps?{g  
');vc~C  
&T~X`{V]`  
 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。 -Ep#q&\  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 -z0;4O (K]  
Kk6=61}A  
&J
catI  
 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。 ;RRw-|/Wm  
 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） T7^;!;i`X  
%9a3$OGZX  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd %^L{K[}  
r PK.Q)g  
光束质量优化 IEMa/[n/  
q\]X1N  
oJ\g0|\qwe  
 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。 ]B?M3`'>  
 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）。 V5z2.} 'o-  
w2'q9pB+  
结果：光束质量优化 7XK0vKmW3  
yV )fJ_  
fg3Jv*  
 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。 {MSE}|A\V  
UZ2_FP  
 2Y23!hw  
6UuN-7z!"  
 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。） X<$Tn60,  
oDMPYkpTu  
^`'\eEa  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd %DYh<U4N  
}!oEjcX'  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ~x\uZ^:  
Syy{ ^Ae}  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 6]Hwr_/tk  
$Gv@lZ@=  
{zvaZY|K"  
 这意味着参数变化是的正态 }7[]d7  
i7XY3yhC  
kpIn_Ea  
?$ e]K/
*  
,"(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。 zR?R,k)m  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 95z|}16UK  
_&hM6N  
k`8O/J  
B_Q{B|eEt&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 6/mz.,g2  
MmN{f~Kq9  
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） z
&amYwQcI  
gGL}FNH  
"Zgwe,#  
WJhTU@'  
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。 rM,e$  
oxlor,lw/  
总结 1fS&KO{a  
>X$JeME3  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S>~f.  
1.模拟 I"88O4\@  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 6+IhI?lI=  
2.研究 id1cZig  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 OR+qi*)  
3.优化 TjTG+uQ  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ='o3<}  
4.分析 OX]$Xdb2:  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 f47]gtB-  
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。 k56Qas+3=  
djOjd,  
参考文献 q>2bkcGY#  
[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). hTX[W%K  
g8##Be  
进一步阅读 eut2x7Z(c  
<#C,66k  
进一步阅读 PR.3EL  
 获得入门视频 UPuoIfuqI  
- 介绍光路图 3}fOb  
- 介绍参数运行 ~V8z%s@  
 关于案例的文档 fZo#
:"{/K  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (4+P7Z,Nc  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens XGx[Ny_A2  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing q
,,  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair