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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) RK"dPr  
    $>8+t>|  
    二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 WR gAc%  
    (lS&P"Xi  
    @6}c\z@AxM  
    "%-HZw%X  
    简述案例
    s26:(J [{  
    m:II<tv  
    系统详情 ) dwPD  
    光源  4\dc  
    - 强象散VIS激光二极管 e=1&mO?  
     元件 2EycFjO  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) @H1pPr  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 s|%mGt &L  
     探测器 lmQ!q>N  
    - 光线可视化(3D显示) .kBi" p&  
    - 波前差探测 r >u0Y  
    - 场分布和相位计算 @C~TD)K  
    - 光束参数(M2值,发散角) .LN&EfMenF  
     模拟/设计 %* vYX0W"  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 :sk7`7v  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): :-ax5,J>q  
     分析和优化整形光束质量 3)EslBA7i  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 XDz![s  
    \02j~r`o  
    系统说明 UN_lK<utF  
    Ajs<a(,6  
    xXp\U'Ad~~  
    模拟和设计结果 l/DV ?27  
    M5: f^  
    k2j:s}RHY  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 L7wl3zG  
    tA3]6SIK@  
    `a3q)}*Y  
    D3HE~zkI  
    %0Ulh6g;Dt  
    总结 &&M-5XD  
    DN&ZRA  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 pIC CjA?3@  
    1.模拟 U@ALo  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 slOki|p;  
    2.评估 4+$<G/K  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Ty*ec%U9F  
    3.优化 dV<M$+;s]  
    利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 (W5E\hjJ  
    4.分析 ]^3_eHa^d  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ~V`D@-VND  
    !_?<-f(  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 p27A#Uu2}  
    X']>b   
    详述案例 HsR#dp+s~  
    &M6)-V4  
    系统参数 = <O{t#]  
    (|' w$  
    案例的内容和目标 -102W{V/T  
    @E,{p"{  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 6x]|IWvW  
    Te[[xhTyw  
    cQ6[o"j.  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Ook3B  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 ~_8Ve\Y^/  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 D8m?`^Zz  
    fOE:~3Q  
    模拟任务:反射光束整形设置 iJ?8)}  
    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。 /nv1 .c)k  
    [cXu<vjFM  
    z9w@-])  
    }2`S@Rq.WW  
    eb9qg.9Z  
    7 aDI6G  
    规格:像散激光光束 e!tgWYN  
    GVn9=[r  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 g+ 2SB5 2D  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 R&ou4Y:DG  
    |i|YlWQS  
    "5{Yn!-:  
    \M>AN Z}  
    $XyGCn  
    OQ+?nB  
    规格:柱形抛物面反射镜
    aj(M{gFq~  
                             f\r$T Nd6  
     有抛物面曲率的圆柱镜 AQQj]7Y  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Z NCq /  
     曲率半径等于焦距的两倍 Z#V[N9L  
    .*Hv^_  
    a#uJzYB0  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) PU -~7h+$  
    ~gBqkZ# y?  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 OVj,qL)  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ^xqh!  
     离轴角决定了截切区域 i^QcW!X&  
    8uI^ B  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) \ [>Rt  
    7kJ,;30)  
       NEGpf[$  
    gl!3pTC  
    光束整形装置的光路图 0f-gQD  
    HuK'tU#  
    UyF]gO  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 =3( ZUV X  
     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。 ]]7s9PCN  
    pkxW19h*0  
    反射光束整形系统的3D视图 L3kms6ch  
    N86Hn]#  
    u;Z~Px4]v  
    L~0B  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 FJ2^0s/"  
     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)。 &j>`H:  
     UnO -?  
    详述案例 4)"jg[  
    -bs~{  
    模拟和结果 k@wxN!w;  
    i4uUvZ f  
    结果:3D系统光线扫描分析 K}wUM^  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 0&w.QoZY(  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 D vK}UAj=  
    &PGU%"rN  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ci*Z9&eS+  
    yCm iW %L4  
    使用参数耦合来设置系统 M~wJe@bc  
    T$RZRZo  
    ,c7 8O8|  
    自由参数: $_<,bC1[  
     反射镜1后y方向的光束半径 7 bpV=  
     反射镜2后的光束半径 mZ*!$P:vy"  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) hesL$Z [  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 EubF`w$KWX  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 L)J0T Sh  
    oJ>]=^?k  
    \h?C G_|]  
    7k{C'\m  
    ^6oz3+  
    6:#zlKYJ  
    > QDmSy*&  
    自由参数: >@rsh-Z  
     反射镜1后y方向的光束半径 5ZSV)$t  
     反射镜2后的光束半径 #\_N-bVu  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) a2SMNC]  
     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。 OV_Y`u7YR  
    c-(,%0G0  
    !MOVv\@O  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 /Q 8E12  
    4#1[i|:M  
    [kM)K'-  
    结果:使用GFT+进行光束整形 N0,wT6.  
    oJA%t-&%R  
    Y!N *J  
    J\^ZRu_K  
    L<'3O),}  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -,C">T%\  
    rXPq'k'h#-  
    ms@*JCL!t  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 DK;p6_tT  
    #  -e  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 (LbAP9Zj#f  
    qpjtF'  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: QV,X> !Nz  
    Y&!M#7/'J3  
    C8 9c2  
    (L}  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd eM Ym@~4  
    78zjC6}`  
    结果:评估光束参数 7N9~nEU  
    $N4%I4  
    +y'V  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ChO?Lm$y  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 &~gqEl6RF  
    zea=vx>`  
    ^wNx5t  
     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。 Ja<pvb  
     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) ['~j1!/;6  
    DID&fj9m  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 7fRL'I#[@  
    a Mp*Ap  
    光束质量优化 x}Qet4vV  
    ? g9mDe;k  
    mw0#Dhyy1=  
     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。 ;ELQIHnD"  
     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)。
    oEPO0O  
    v\7k  
    结果:光束质量优化 wXw pKm  
    GBOz,_pw  
    2_Me 4  
     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。 "j|}-a  
    V"":_`1VW  
    lsmzy_gV7  
    63:0Vt>hZ^  
     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。) `< 8Fc`;[  
    z{T2! w~[  
    V+M2Gf  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd L8-  
    <()xO(  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 .UNh\R?r  
    8>q:Q<BB2  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 EFeGxM  
    $t5 0<1  
    u:H@]z(x  
     这意味着参数变化是的正态 K]dqK'  
    @~6A9Fr  
    e #l/jFJU  
    &H\$O.?f  
    gOw|s1`2,  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 j9C=m"O  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 &|<~J (L;  
    n`f},.NM|  
    gUDd2T#  
    ( _]{[dFr%  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run , 6\i  
    Z91gAy^z<  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) | (P%<  
    OB3AZH$  
    !$h%$se  
    ?zUV3Qgzj  
    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。 Rz`<E97-  
    ,: w~-   
    总结 Szi4M&!K  
    +YT/od1t7  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 KtY~Y  
    1.模拟 ^w2n  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 |NtT-T)7  
    2.研究 23+6u{   
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 %H<w.]>  
    3.优化 oD{V_/pdx  
    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。 X_s;j5ur  
    4.分析 ThWZ>hyJ  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9 K$F.{cx  
    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。 ;~~Oc  
    TOMvJ>bF  
    参考文献 ?0[%+AD hM  
    [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). Z+t?ah00  
    >;xEzc!W3*  
    进一步阅读 idO3/>R [  
    86%weU/*  
    进一步阅读 N0 ?O*a  
     获得入门视频 qwFn(pK[  
    - 介绍光路图 \TMRS(  
    - 介绍参数运行 CQ,r*VAw  
     关于案例的文档 HqYaQ~Dth  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ?U-p jjM  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens SmR*b2U  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 4zf#zJw  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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