[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） }=JuC+#~n  
i$W=5B>SO  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 ~'L`RJR  
66shr  
W0>fu>  
dsUY[X-<6  
简述案例 OLM}en_L  
&26H  
系统详情 #^oF^!  
 光源 _Zs]za.#)|  
- 强象散VIS激光二极管 4Z<  
 元件 \H5{[ZUn  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） sOLR*=F{  
- 具有高斯振幅调制的光阑 [E/}-m6g  
 探测器
f$^+;j  
- 光线可视化（3D显示） 9,zM.g9Qv  
- 波前差探测 5uufpvah  
- 场分布和相位计算 *<nfA}  
- 光束参数（M2值，发散角） -6u#:pVpU  
 模拟/设计 bkfk9P  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 =c(3EI'w  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： GcYT<pwN6  
 分析和优化整形光束质量 y?s8UEC  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 '+{dr\nJ  
<<[hZ$.  
系统说明 <"XDIvpc%L  
/i)1BaF  
YKsc[~ h  
模拟和设计结果 Rr>h8Ni <  
.}l&lj
@#  
数值探测器结果 oPA [vY  
X@n\~[.B  
$"&U%3  
dECH/vJ^  
XUyoZl?  
总结 Ew kZzVuX  
xz$S5tgDQK  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 d4#Ra%  
1.模拟 w+0Ch1$  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 _ooSMp|  
2.评估 !bi}9w  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 zsx12b^w  
3.优化 *jF VYg  
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。 g6. =(je  
4.分析 C8 b%r|^#  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 =_L  
q;V1fogqI)  
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。 4U*
uH  
20t</lq.  
详述案例 xf.2Ig  
UUt631  
系统参数 fii\&p7z  
+i[w& P  
案例的内容和目标 =!`\=!y  
iY2%_b!5  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 h8yv:}XU*  
;#$zHR  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Y
{8L ~U:  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {:3XP<hqN  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ,A>i)b
rc  
D=fB&7%@  
模拟任务：反射光束整形设置 'd"\h#  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 (pjmE7`"P  
d.7Xvx0Yww  
995^[c1o6  
2rw<]Ce  
A_t<SG5  
eXU;UO^  
规格：像散激光光束 KcB?[  
n]B)\D+V^  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \4SFD3$&  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 bz~-uHC  
+M\*C#  
)W@H  
]'aGoR  
?nFT51t/4  
pg~`NN  
规格：柱形抛物面反射镜 a<V=C  
                         omV.Qb'NS  
 有抛物面曲率的圆柱镜 WPE@yI(  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 2="C6 7TK  
 曲率半径等于焦距的两倍  <C4^Vem  
Jz#ZDZkm  
ZUyM:$  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） p;n)YY$  
)`rC"N)  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 %a/O7s6  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ,Z%!38gGsu  
 离轴角决定了截切区域 2597#O  
RWBmQg^]X  
规格：参数概述（12° x 46°光束） r _r$nl  
|y%pP/;&!  
   #%e`OA(b  
)m[!HE`cZ  
光束整形装置的光路图 %!rsu-W:Y  
T6H"ER$  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 {uj9fE,)  
 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。 /KKX;L[D(  
]?)zH:2)  
反射光束整形系统的3D视图 S0=BfkHi.  
t9pPG{1  
)KRO=~Y  
'd?8OV  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 '~ ]b;nA  
 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）。 9Zrn(D  
.yWdlq##  
详述案例 JmYi&  
I)B2Z(<Q  
模拟和结果 0/KNXz  
6-X7C9`C  
结果：3D系统光线扫描分析 {8jG6  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 T  |j^  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 6ldDt?iSg  
3!$rp- !<)  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd |E7]69=P  
m dC. FO-  
使用参数耦合来设置系统 h}`<pq  
xDlC]loi7  
Nq~bO_-I  
自由参数： hrAI@.Bo  
 反射镜1后y方向的光束半径 eB]ZnJ2^=  
 反射镜2后的光束半径 mU&J,C  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 5d4-95['_  
 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。 o!H"~5Trv!  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 <g%xo"  
Y0hL_46>  
L,kF]
 
ng 6G<hi  
vOP[ND=T  
mA>Pr<aV:  
q{_buTARq  
自由参数： 3> fuH'=  
 反射镜1后y方向的光束半径 h'jnc.  
 反射镜2后的光束半径 j/Kw-h ,5"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） vMI\$E&  
 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。 z`_N|iEd  
dvj`%?=  
0CN.gu  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 -zTeIvcy5  
W.CIyGK  
7v:;`6Jb  
结果：使用GFT+进行光束整形 #e0+;kBh  
[,e_2<  
@)0gXg  
"
{:*fI;!  
B=p'2lla  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 l:[=M:#p  
R`<E3J\*  
qj/P4*6E  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 e'?(`yW>  
GS^4tmc  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 d8K^`k+x  
NSkI2>+P  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： qy]-YJ
Z  
&S{F"z  
O|/tRkDMP{  
bC{~/ JP  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c
*W$wr  
qjFgy)qV  
结果：评估光束参数 z(=:J_N  
G@(7d1){  
"N;|~S)w!  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 {F4:  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 G@;aqe[dB  
B?4\IXek  
5
SjS~9  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 #-`lLI:w0  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） <eI;Jph5  
kDKpuA!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd yqU++;6  
i>~?XVU  
光束质量优化 t>[r88v  
~DD/\V  
4>W`XH  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 oMVwIdf  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 WAEKvM4*i0  
o?3R HP47  
结果：光束质量优化 q}!4b'z^  
3,[2-obmi  
uu:)jxi  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 PX'LN  
U!5@$Fu  
ymzm x$o=  
:U9R 1^}A  
 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。） |);>wV"  
= `^jz}  
t'J fiGM  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd !2Orklzd1  
QJ>>&`{,  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 piP8ObGjy  
S|[UEU3FpB  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 J-}NFWR;t  
=T-w.}27O  
w.8~A,5}Dh  
 这意味着参数变化是的正态 nqBuC  
_(hwU>.  
c;^J!e  
+@Y[i."^J  
(Y>MsqwWfC  
 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。 ^6+x0[13  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 0 OBkd  
p[b\x_0%c  

FMVmH!E  
a5-\=0L~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ]c)SVn$6  
o >Lk`\  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） b5DrwX{Ff  
<IVz mzpL  
{#,FlR2  
FT~^$)8=  
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。 5)UmA8"zVB  
}>0
Kc=  
总结 K(gj6SrjV  
i7rq;t<  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {Fi@|'  
1.模拟 z(3"\ ^T  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ju]]|  
2.研究 %U GlAyj  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 -Q6pV<i  
3.优化 yr>bL"!CA  
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。 +&
OqJAu  
4.分析 $1+K}tP  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 vgj^-  
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。 D.(G9H  
6mdnEmFM]  
参考文献 R(sM(x5a`  
[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). 8(>.^667  
<^U(ya  
进一步阅读 g5Rm!T+@I<  
91H0mP>ki  
进一步阅读 >x4[7YAU{  
 获得入门视频 :eW~nI.Vc  
- 介绍光路图 bSf
(DSqx  
- 介绍参数运行 |lxy< C4V  
 关于案例的文档 +ZKhmb!  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens vC:b?0s#(  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 9Yyg}l:  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing zU~..;C  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair