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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) \-X Qo  
    z8HOig?  
    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 W(^R-&av  
    A*;I}F  
    V)[ta`9  
    :~K c"Pg  
    简述案例
    F` /mcyf  
    4bV&U=  
    系统详情 blbL49;  
    光源 BCH{0w^D  
    - 强象散VIS激光二极管 #\15,!*a=  
     元件 FW](GWp`:  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) +;Yd<~!c Z  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 L9,;zkgo  
     探测器 YVcFCl  
    - 光线可视化(3D显示) -0Ws3  
    - 波前差探测 xq#YBi,  
    - 场分布和相位计算 N~c Y~a  
    - 光束参数(M2值,发散角) 5u(,g1s}UZ  
     模拟/设计  58S>B'  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 )Sz2D[@n  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): f{s}[p~  
     分析和优化整形光束质量 l/(|rl#6  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 +M@,CbqD  
    !bf8 r  
    系统说明 ;ps 0wswX  
    x4b.^5"`:  
    qnFi./  
    模拟和设计结果 lB7 V4  
    K)e;*D  
    8G GC)2  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 /z'fFl^6O  
    IP#w  
    CN7 2 E  
    hFLD2 <   
    fdU`+[_  
    总结 : `Nh}Ka0  
    Bo)N<S_=^  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S6Er# )k  
    1.模拟 ;|C[.0;kgv  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 s{QS2G$5  
    2.评估 %Z:07|57I[  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ?^y!}(  
    3.优化 V:<NQd  
    利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 }"QV{W  
    4.分析 G54,`uz2  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 >gj%q$@  
    K<BS%~,I  
    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。 o@o0V  
    @ V_@r@A  
    详述案例 0!Zp4>l\Z  
    U};~ff+  
    系统参数 2q4dCbJ!  
    #$W bYL|  
    案例的内容和目标 qD#E, "%  
    #b^x!lR  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 rM|] }M=_V  
    5eP0W#  
    P#gY-k&Nr  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 \J)ffEKIp  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 8w 2$H  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ZUkrJ'  
    4u!<3-3Zy  
    模拟任务:反射光束整形设置 F9N/_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。 QTy xx  
    W*S !}ZT`  
    .aA 8'/  
    ?PpGBm2f*  
    Oo)MxYPU  
    =|Q7k+b  
    规格:像散激光光束 *>=|"ff  
    :!fP~(R'm  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 'N7AVj  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 G!%Cc0d"7  
    (toN? ?r  
    &5x ]9   
    l^LYSZg'R8  
    {9/ayG[98  
    Z'u:Em  
    规格:柱形抛物面反射镜
    H@j D %  
                             +"~~; J$  
     有抛物面曲率的圆柱镜 2 c%*u {=:  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 y*f 5_  
     曲率半径等于焦距的两倍 |afzW=8'  
    ZRD@8'1p  
    r@|{mQOxa  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) yjq~O~  
    N:_U2[V^d  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 ~9tPT 0^+  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ulqh}Uv'  
     离轴角决定了截切区域 9rd7l6$R"  
    D09/(%4j  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) #]vy`rv  
    dx<KZR$!V  
       H&yK{0H  
    & rsNB:!  
    光束整形装置的光路图 ]jkaOj  
    EYLqg`2A  
    qYwEPGa\  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 m4 :|  
     因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点,那么到反射镜2的距离z必须是负的。 0/vmj,&B(  
    C}7 c:4c  
    反射光束整形系统的3D视图 xUKn  
    B\tP{}P8{  
    gGtl*9a=  
    0Ud.u  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 RKt#2%FFO  
     绿线表示生成的光轴,由VirtualLab的基础定位方法生成(仅仅设置了距离z和倾角)。 Cq<a|t  
    F5Xj}`}bq  
    详述案例 N'!:  
    App9um3:  
    模拟和结果 2v;F@fUB.  
    U|NVDuo{{x  
    结果:3D系统光线扫描分析 `<3/k  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 a$~pAy5C  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 NDmTxW#g  
     4dd]Ju  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd l<89[{9o  
    3~r>G  
    使用参数耦合来设置系统 AWXBk+  
    C `>1x`n  
    \?|FB~.Ry  
    自由参数: 7M#irCX  
     反射镜1后y方向的光束半径 7FTf8  
     反射镜2后的光束半径 @5C!`:f  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) [5iBXOmpS=  
     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。 YyF=u~l  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 AwC"c '  
    {FrcpcrQa  
    DO^K8~]  
    V"r2 t9A  
    ?FRuuAS  
    &F!Ct(c99  
    -/7[\S  
    自由参数: L PDx3MS  
     反射镜1后y方向的光束半径 zj+.MG04  
     反射镜2后的光束半径 1 po.Cmx  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) fBi6% #  
     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。 -k+}w_<Q  
    Q.$|TbVfds  
    nKO4o8js{{  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 -D4"uoN.  
    :d!qZFln  
    soTmKqj E  
    结果:使用GFT+进行光束整形 lo!.%PP|  
    RAh4#8]  
    N1vPY]8  
    T08SGB]  
    v{T%`WuPRf  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 FthrI  
    &.ilku/  
    ZliJc7lss  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 J'=iEI  
    Ei Yj`P  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 9 :ubPqt  
    Q, `:RF3  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: KH~o0 W  
    j -R9=vB2  
    p:/#nmC<  
    T|L_ +(M{  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 3utv  
    6N<v&7cSB  
    结果:评估光束参数 YIc|0[ ]*|  
    ]8c%)%Vi  
    I_k!'zR[N  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Vp.&X 8  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 y-/,,,r  
    0<n*8t?A-  
    PE\.JU  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 uDWxIP,m  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) /M3UK  
    U =G}@Y  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd .C=I~Z  
    ]((Ix,ggP  
    光束质量优化 xeGl}q|  
    dP7nR1GS  
    43HZ)3!me  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 \uUd *  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    VxKD>:3c  
    0&@pD`K e  
    结果:光束质量优化 ?: XY3!{  
    X S&oW  
    w9W0j  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 W7 .Y`u[  
    |_ADG  
    f0h^ULd  
    v[*&@aW0n  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) p[J 8 r{'  
    Xe J|Z)qZ  
    ;G=:>m~  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd L4x08 e  
    c'XvZNf .C  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 -<jd/ 5  
    ~dm/U7B:  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 uHNh|ew21  
    l"ZfgJ}W  
    ,o{|W9  
     这意味着参数变化是的正态 D#pZN,'  
    r@.3.Q  
    | WN9&  
    yE6EoC^  
    B/n/bi8T  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 ?;c&5'7ct  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 ]JUb;B;Z  
    jr=>L:  
    iax6o+OG|  
    YM(` E9{h  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run KXS{@/"-B  
    l|Z<pD  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) j0]|$p  
    ^-|yF2>`  
    VZRM=;V  
    \`MX\OR  
    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。 -y+u0,=p.  
    i,h)  
    总结 aV6l"A]  
    uQYBq)p|  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .0eHP  
    1.模拟 )}KQtkU8:  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 )RFE< Qcj  
    2.研究 !6 k{]v  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 {Yp;R  
    3.优化 |}O9'fyU8  
    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。 Hh<3k- *d  
    4.分析 DKzP)!B "  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 #;#r4sJwU  
    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。 Kr*s]O  
    pH'1be{K  
    参考文献 'h:[[D%H`  
    [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). u40k9vh  
    sY#iGEf  
    进一步阅读 4=T>Iy  
    G ]T A7~VT  
    进一步阅读 vcsMU|GGh  
     获得入门视频 >~% _U+6  
    - 介绍光路图 n5yPUJK2L6  
    - 介绍参数运行 /JOEnQ5X\!  
     关于案例的文档 <> &!+|#  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens h>l  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens \qU.?V[2  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing w ,CZ*/^  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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