[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） E7*z.3
  
u}[Z=V  
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 ;zbF~5e  
[P*w$Hn  
6 s+ Z  
L'>t:^QTh  
简述案例 `B^HW8  
54A ndyeA  
系统详情 F
f\U]g  
 光源 aXSTA,%  
- 强象散VIS激光二极管 kdWk{ZT^  
 元件 9J$z/j;X  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） U =()T}b>  
- 具有高斯振幅调制的光阑 0CYm%p8!  
 探测器 E+65  
- 光线可视化（3D显示） p^LUyLG`  
- 波前差探测 Jk.Ec)w  
- 场分布和相位计算 L;},1 \  
- 光束参数（M2值，发散角） w:}RS.AK  
 模拟/设计 d45JT?qg&  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 <3!jra,h  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： >,8DwNuq  
 分析和优化整形光束质量 Ef;OrE""  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 |7jUf$Q\p  
7[l "=  
系统说明 kCRP?sj  
nl7=Nhh  
>Ic)RPO9  
模拟和设计结果 p& > z=Z*  
N[~"X**x  
数值探测器结果 PZQb.QAn  
\h%/Cp+p  
O;qerE?i`  
B_k[N}|zD  
K"cN`Kj<*-  
总结 J`ia6fy.I  
A22h+8yG  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ( _ZOUMe  
1.模拟 rZDmZm?=  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Ld[zOx  
2.评估 )w8h2=l  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 r@3VN~  
3.优化 `N~;X~XFk  
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。 7W[}7Y  
4.分析 'm@0[i  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 :N~1fvx  
p;dH[NW  
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。 fPs'A  
ZJ} V>Bu-  
详述案例 (Ck|RojC  
@<ba+z>"~4  
系统参数 r*K[,  
F/\w4T  
案例的内容和目标 z?HP%g'M~  
M@rknq@  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ]q0mo1-EZ!  
[N
}:Di,S  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 !3{> F"  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 QvK-3w;=  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 %aU4d e^  
/jQW4eW0  
模拟任务：反射光束整形设置 W6t"n_%?"  
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。 Kb~s'cTxIO  
)+c4n]  
hL#5:~(  
CPVR  
GZ#6}/;b  
oagxTFh8~  
规格：像散激光光束 /sf:.TpVh  
j4L )D  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 HTK79 +  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?b0VB  
Kd8V,teH  
j?ihUNY!+  
C2;qSKG3{m  
"q(#,,_  
*ktM<N58  
规格：柱形抛物面反射镜 V-U,3=C  
                         .%7#o
 
 有抛物面曲率的圆柱镜 )cnB>Qul  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Z 55i
q  
 曲率半径等于焦距的两倍 [vkz<sL"  
>s}bq#x  
;aKdRhDo  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） F i?2sa  
*R.Q!Lv+  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ]%jlaXb  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 7u]0dHj  
 离轴角决定了截切区域 8;YeEW5  
Be+CV">2  
规格：参数概述（12° x 46°光束） %"~\Pu*>  
U7d%*g  
   DTrS9j?z  
TQDb\d8,f  
光束整形装置的光路图 :1"{0gm  
ZcgSVMqEX  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 hc}dS$=C  
 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。 6k"'3AKaR  
d?(#NP#;  
反射光束整形系统的3D视图 S8mqz.  
qt5CoxeJ  
dg/OjiD[P  
qepsR/0M  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 [@Y<:6  
 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）。 K*Y.mM)  
n.]K"$230  
详述案例 `An`"$z  
B`)o?GcVN  
模拟和结果 /%Lj$]S7[4  
Z.+-MNWV  
结果：3D系统光线扫描分析 W
mTSxneo  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。
dxbP'2~  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 -M}#-qwf  
u"r~5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \D(6
t!Ox  
PLR[nB7K  
使用参数耦合来设置系统 Z-;<R$  
hD!W&Er  
_hyboQi  
自由参数： tbD>A6&VM}  
 反射镜1后y方向的光束半径 VH7VJ [  
 反射镜2后的光束半径 yS0YWqv]6@  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） (yWU9q)5  
 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。 tj

c3;9  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 %7 h_D  
mDz{8N9<FG  
8#NtZ  
!K^.r_0H.  
f
3Ior.n(  
TB9{e!4  
& .VciSq6  
自由参数： 22S4q`j  
 反射镜1后y方向的光束半径 }
z6@Z#%q  
 反射镜2后的光束半径 ^l|{*oj2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） H%NIdgo}  
 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。 @sRRcP~  
[YG\a5QK  
$}&Y$w>S  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 p x1y#Q  
B9pro%R1Bo  
,2T&3
3m  
结果：使用GFT+进行光束整形 lR[[]Yn  
q15t7-Z6  
)8vz4e Y  
fH?e9E4l  
aP^,@RrL  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Sc'z vlq  
xrDHXqH  
c'nEbelE  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 -b+VzVJZ  
_MQ)  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 NNSHA'F,.\  
j\& `  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： =Tv|kJ| j  
O?e38(
 
p`:hY`P  
h^R EBPe  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 9}4P%>_  
]w z`j1  
结果：评估光束参数 +-YMW;5  
:U_k*9z}=
 
N9hs<b+N_  
 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。 !gA<9h  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 RGFanP  
;0DTf  
0dxEV]  
 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。 Q qGf*  
 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） a@:(L"Or  
pEgQ) 9\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 21'I-j  
L+,p#w  
光束质量优化 [4L[.N@  
_/Ky;p.  
`|?K4<5
|  
 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。 ax$ashFO/!  
 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）。 $SAq/VHI1]  
9IJBK  
结果：光束质量优化 <[mT*   
AjBwj5K  
2F9Gx;}t5=  
 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。 -|;{/ s5  
q5C(/@)^  
|Iei!jm  
~I[Z2&I  
 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。） q6DuLFatc*  
d-/{@   
iAD'MB  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd D2N| A  
u^.7zL+  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 iUDNm|e  
|a9d]^  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 j}9][Fm1*  
$yxwB/O(  
}e$^v*16  
 这意味着参数变化是的正态 tt5t(+5j  
ipzv]c&  
Y'-@O"pK  
JSz;>  
8@;|x2=y  
 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。 )CgKZ"  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Y%<y`]I  
%oPW`r  
y!_*CYZ~m  
zT$-%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 6ub-NtVu  
s D
q{h  
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） {A!1s;  
l~ 3H
"  
r'bctFsD  
$sF'Sr{)y  
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。 ogD 8qrZ6J  
pJ8;7u  
总结 B=dF\.&Z  

TA;r  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ',Y`XP"Q  
1.模拟 ^a+W!  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 NTq#'O) f  
2.研究 x=-dv8N?  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 R1'tW=  
3.优化 vh+ ' W  
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。 {#?$p i[  
4.分析 a'zXLlXgGd  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 *xHj*  
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。 $z1W0  
O*qSc^9q  
参考文献 m@(8-_  
[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). $MW-c*5a  
Buxn!s  
进一步阅读
0 0JH*I  
W=QT-4  
进一步阅读 kT7x !7C  
 获得入门视频 tjONN(K`  
- 介绍光路图 S"-q*!AhK  
- 介绍参数运行 op!ft/Yyb  
 关于案例的文档 jVW .=FK  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 0EWov~Y?  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens o 8fB  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing R
\i8O^[  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair