[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0）  _I}L$  
R_*D7|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 BnnUUaE  
)D-.7m.v]  
/KvPiQ%  
?`*-QG
}  
简述案例 1S.e5{  
E["t Ccg  
系统详情 8JOht(
m  
 光源 eYX_V6c
 
- 强象散VIS激光二极管 wj:3  
 元件 <{xAvN(:  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） :AcNb  
- 具有高斯振幅调制的光阑 po
$ynp756  
 探测器 gwB>oi*OE  
- 光线可视化（3D显示） W;}u 2GH  
- 波前差探测 1*,~1!>  
- 场分布和相位计算 sluZ-,zE  
- 光束参数（M2值，发散角） .yh2ttf<gB  
 模拟/设计 Nb9V/2c;V  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 o/[yA3^  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： Fh4w0u*Q  
 分析和优化整形光束质量 I%b:Z  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 _wJ#jJz2  
=|&"/$+s  
系统说明 2yO)}g FJ  
#LyjJmQ  
k@)m-K  
模拟和设计结果 @DC2ci
>  
7<'i#E~  
数值探测器结果 9X&qdA/q  
AdS
_-Cm  
&EJ,k'7$  
pC.4AkEO  
,) jB<`  
总结 ./*,Thc  
^F0jI5j).  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ITqigGan%  
1.模拟 tsC|R~wW  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 QM=436fq  
2.评估 y\|\9Q%D  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 im[gbac  
3.优化 5*z
a]   
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。 VRP.tD  
4.分析 ef;="N  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ]Tw6Fg1o>  
N$\5%  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 5)NfZN#&  
1% %Tm"  
详述案例 R$m?&1K  
a}7KpKCD  
系统参数 HZ4 ^T7G  
Q>g$)-8  
案例的内容和目标 "8TMAF|i4  
ly5L-=Xb  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ZoReyY2  
ddhTri'f  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 >mSl~.I2  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 %9)J-B  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 *!s?hHv  
+Z(VWu6  
模拟任务：反射光束整形设置 |i}g
7  
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。 8_$2aqr  
YVp0}m  
vrx3O  
CPM6T$_qE  
boB{Y7gO4  
G"sc;nT  
规格：像散激光光束 ]J]p:Y>NL  
X1D:{S[  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Fpwh.R:yV  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 .
L%@/(r  
#T`+~tW'|  
,IATJs$E  
TBYL~QQD\C  
y~1php>2f1  
dj**,*s  
规格：柱形抛物面反射镜 d>psqmQ  
                         XKIJ6M~5k  
 有抛物面曲率的圆柱镜 !qve1H4d2  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 hKeh9 Bt  
 曲率半径等于焦距的两倍 gcF><i6  
"evV/Fg(  
%,RU)}  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） @6`@.iZ  
lI<8)42yq  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ka[NYW{.  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 7^X_tQf  
 离轴角决定了截切区域 f#b[KB^Z,2  
IvH+94[)  
规格：参数概述（12° x 46°光束） nK=V`  
JwVv+9hh  
   F\<i>LWT'  
DO{4n1-U  
光束整形装置的光路图 w Vmy`OV/  
[}3Y1t{G  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 NebZGD2K  
 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。
t/(j8w  
Pw.+DA  
反射光束整形系统的3D视图 z8MYgn7  
-&tiM v  
Vd~k4  
<{uIB;P  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Jq)k?WS  
 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）。 ;Yj&7k1  
z0Hh8*  
详述案例 aR $P}]H  
p(%x&*)f  
模拟和结果 +__Rk1CVh  
`BY`ltW  
结果：3D系统光线扫描分析 &Y$rVBgQ  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Q5JeL6t  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 b L~<~gA  
} q(0uzaG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd u{ /gjv  
)=@ XF0  
使用参数耦合来设置系统 !2}Q9a  
e#^by(1@}  
A:Z:&(NtE:  
自由参数： eKOTxv{  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]=Q'1%  
 反射镜2后的光束半径 3WS %H17  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） !5-[kG&  
 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。 I'wAgf6W  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 nceF4Ty  
\=~Ap#Mpc4  
X(9Ff=0.~  
l?~h_8&fT  
gK'MUZ()  
xB#E&}Ho  
=%p{"<  
自由参数： 3ssio-X  
 反射镜1后y方向的光束半径 \8!HZei  
 反射镜2后的光束半径 Khl7Ez  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） rYJvI  
 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。 5YasD6l  
+nuQC{^>  
[nrP; _  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 )d~Mag+  
PhQD}|S  
;DTNw=  
结果：使用GFT+进行光束整形 {ig@Iy~DT  
_%]H}N Q  
x$E l7=.  
M<729M  
6~s,j({^  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 U&NOf;h$  
%j,Ny}a  
;&!l2UB%  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 2%
I:s6r  
uH#NJoRO  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Jc+U$h4  
VO9<:R  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： k)J7) L  
8"@<s?0\"  
a5iMCmL
+  
<}=
D?bXw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *VUXw@  
lc#H%Qlg  
结果：评估光束参数 )UeG2dXx7  
_:z~P<%s  
4R]|  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 &P;x<7h$t?  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ATU@5,9  
@P-7a`3*  
\?o%<c5{  
 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。 #[8gH>7
 
 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） :/3`+&T^/  
x[X.// :  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd $#!~K2$  
CY:pYke=  
光束质量优化 La!PGZ{  
~?p > L  
!\m.&lk'^  
 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。 ru&RL HFV  
 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）。 5IepVS(>?v  
9T]]TEv4  
结果：光束质量优化 TcC=_je460  
zR4huo  
I4*N  
 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。 oTL "]3`'  
l*eA ?Qz  
Zj JD@,j  
]:njP3r  
 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。） XEuv aM  
%guot~S|  
@.0,ka,X  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd yP-Dj ,  
t!k 0n&P  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 )-9/5Z0v  
MLDuo|?  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 dcA0k  
A-~)7-  
4 qnQF]4  
 这意味着参数变化是的正态 8177x7UG2[  
{r"
s.|
n  
 }N[sydL  
{hl_/ aG  
r}991O<  
 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。 4e:hKv,+4  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 y`N1I  
8_uDxd  
1^,rS  
8dpVB#]pp,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run R'F|z{8  
w8E,zH  
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） \KEL.}B9E  
hk=+t&Y<H  
B)(A#&nrb  
2@H~nw 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。 j04Q3d \f  
C/E3NL8  
总结 xj}N;FWo  
ED6H  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 i"b*U5k  
1.模拟 X2{3I\'Ft  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 [;2v[&
Po  
2.研究 ;9^B# aTM  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 J:>TV.TP  
3.优化 cz0tnF*&  
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。 G6 GXC`^+  
4.分析 4uv }6&R  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 !=-l760  
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。 iZ58;`  
w"D"9G  
参考文献 sC#Ixq'ls7  
[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). iU3co|q7  
o;O_N^_W  
进一步阅读 %jkd}D  
F[+sc Mx!G  
进一步阅读 VTF),e!  
 获得入门视频 MF1u8Yl:0  
- 介绍光路图 CzK X}  
- 介绍参数运行 T^79p$  
 关于案例的文档 mr;WxxO5  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens S`-z$ph}  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens iX,Qh2(ig  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing mX#T<_=d  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair