[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） LA4<#KP  
6|!NLwa  
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 %NajFjBI  
WUEHB  
KX3KM!*  
>72JV;W]  
简述案例 h*w6/ZL1  
jL>:>r  
系统详情 pQWHG#?7  
 光源 por/^=e{Y  
- 强象散VIS激光二极管 j~`\XX{>  
 元件 v`DI<Lt  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） gR Nv-^  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ~R]35Cp-#  
 探测器 M#,Q ^rH#  
- 光线可视化（3D显示） ".U^ifF  
- 波前差探测 x83a!9  
- 场分布和相位计算 OH6^GPF6  
- 光束参数（M2值，发散角） ,gx)w^WTm  
 模拟/设计 PaO-J&<  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 9V 0}d2d  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： UBZ9A  
 分析和优化整形光束质量 j9R6ta3\l  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 $t/rOo9cV  
UiQEJXwnz  
系统说明 jz'<  
'#\1uXM1U?  

~
i0R^qfr  
模拟和设计结果 0g=`DSC<(  
\Kavw  
数值探测器结果 3 hKBc0  
K@u&(}  
u0o'
K9.r  
pyZ9OA!PD  
uQqWew8l+  
总结 G64Fx*`  
bzZ>lyH  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 \3XqHf3|o  
1.模拟 $V>yXhTh  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 BiwieF4x  
2.评估 K^[#]+nQ  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 $_;e>*+x  
3.优化 ZC0-wr\  
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。 1Sz
A3c  
4.分析 0CExY9@Wq  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Shr,#wwM`B  
zaimGMJ ,  
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。 8wZf]_  
NjuiD].  
详述案例 YT#3n  
3gZ8.8q3  
系统参数 <|B1wa:|  
,e722wz  
案例的内容和目标 IE2"rQT  
DKL@wr}8  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 YB(Gk;]  
J^#:qk  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Z.PBu|Kx  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 K2)!h.W  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 lSwcL  
fwR_OB:$  
模拟任务：反射光束整形设置 |*5
=_vF  
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。 W_|0y4QOo  
4u;9
J*r4  
J:*-gwv9*m  
r=uN9ro  
=uHnRY  
K5>p89mZ  
规格：像散激光光束 "/Pjjb:2  
56lCwXCgA  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 /1UOT\8U
 
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7cDU
2l  
LW6ZAETyL  
2F{hg%  
$ ,Ck70_  
4*n#yVb/  
!|hoYU>@2L  
规格：柱形抛物面反射镜 )-15 N  
                         %]gTm7 =t  
 有抛物面曲率的圆柱镜 enS}A*Io  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 z4%uN|V  
 曲率半径等于焦距的两倍 f"[J"j8  
))kF<A_MK  
s9;#!7ms  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） \W5O&G-C  
8`>h}Q$  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 +d}E&=p_  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 3981
ie  
 离轴角决定了截切区域
7"F*u :  
$ i)bq6  
规格：参数概述（12° x 46°光束） OVzt\V*+%W  
$4kH3
+WJ  
   2"P99$"  
H={DB  
光束整形装置的光路图 V]OmfPve  
i$G;f^Z!Y  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 /n~\\9#3  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 :NHH Dl  
9
O` m,t  
反射光束整形系统的3D视图 {^
mNJ  
5,qj7HZF  
d<!3`qe  
/tV/85r  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 uzmk6G v  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 T{wpJ"F5<]  
LZJA4?C  
详述案例 Q?ahr~qo  
Q$& sTM  
模拟和结果 E#J';tUQ  
MObt,[^W  
结果：3D系统光线扫描分析 rk+#GO{  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 WV3|?,y]qm  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 \P} p5k[  
/kL$4CA  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bmNq[}  
mK+IEZV<3  
使用参数耦合来设置系统 `p;eIt
 
s+Fi @lg,  
)vmA^nU>  
自由参数： j?y LDLj  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~!s-o|N_\  
 反射镜2后的光束半径 ;Op3?_  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,fK3ZC  
 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。 ~$'\L  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 tQZs.1=z  
rG#Z=*b%  
D3|oOOoG  
A(?\>X 9g  
JdIlWJY  
4h@Z/G!T3
 
.s#;s'>g  
自由参数： jV.g}F+1m  
 反射镜1后y方向的光束半径 {x'GJtpb  
 反射镜2后的光束半径 Fk(JSiU  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (P&4d~)m  
 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。 9lB]~,z  
kb[P\cRa  
R@Gq)P9?  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 91Uj}n%  
M?=;JJ:  
h;=6VgXZ  
结果：使用GFT+进行光束整形 /R>nr"  
c/B'jPt  
jp $Z]  
:2nj
p%  
zBO(`=|  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 h~C.VJWl  
+C1QY'
>I  
lKEkXO  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Hm+ODv9  
\*,=S52  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Wf{O[yL*  
"NgoaG~!YO  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Wrrcx(  
?"z]A7<Hj  
B||;'  

c/_+o;Bc  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd k}KC/d9.z  
W8lx~:v  
结果：评估光束参数 DGevE~  
J9K3s_SN  
AfG/JWSo}  
 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。 Oy 2+b1{  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 8k(P,o  
7}*6#KRG  
0i8LWX_M  
 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。 a_h]?5 :c  
 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） C>[Uvc  
`vc "Q/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ^<LY4^  
ID
.n1i3  
光束质量优化 ?<6CFH]  
~G27;Npy  
"R8KQj  
 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。 &Wf3~hmo  
 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
dLYCR4f  
&Q}*+Y]G  
结果：光束质量优化 )[
1)$-Ru  
kD bhu^~B  
tgjr&G}a@0  
 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。 z&V+#Ws/  
PvGDTYcKp
 
%F kMv  
L28*1]\Jh  
 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。） t%530EB3  
M>M`baM1  
lY*[tmz)  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd mrV!teP  
0euuT@_$  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 V'w@rc\XN  
kh%{C]".1  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
?YeWH WM  
=TqQbadp  
?8W("W  
 这意味着参数变化是的正态 9:I6( Zv0  
 ^xPmlS;X  
"QvmqI>  
7OjR._@  
=}PdH`S  
 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。 LHJ":^  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 c$wsH25KH8  
w
u"&|dt  
tl'n->G>v  
Dde]I_f
}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run X*,Kb(3   
Jjl`_X$CB  
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） 97)/"i e  
wCk
~CkC?  
k
i>~H!zB  
U\rh[0  
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。 f-nz{U  
}-~T<egF  
总结 4Z|vnj)Z  
<w\:<5e'  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 r\;ut4wy  
1.模拟 @AYRiOodi  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ^fz+41lE\  
2.研究 vf4{$Oag  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 % >;#9"O4  
3.优化 .UoOO'1K  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Ngg?@pG0y  
4.分析 zXsc1erli  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 1n\ t+F  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 ){r2T1+-%  
id?h>g  
参考文献 (LHp%LaZ\;  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). 4`Ic&c/  
pKS {6P  
进一步阅读 ^T~gEv  
Pl-5ncb\  
进一步阅读 B^%1Rpcn  
 获得入门视频 -R>}u'EG>  
- 介绍光路图 Bvt@X   
- 介绍参数运行 `<[6YH_  
 关于案例的文档 `mT$s,:h  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens M# 18H<]  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens RmrL^asg  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing d
dVa.0Z!<  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair