[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） }(g`l)OX  
U>q&p}z0H  
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 /5:f[-\s  
xvZNshkpAX  
"(@W^qF}d  
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简述案例 AML8.wJ  
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系统详情 ?[$=5?  
 光源 %X)i-^T  
- 强象散VIS激光二极管 "6T: &>  
 元件 IrAc&Ehul  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） %+WIv+<  
- 具有高斯振幅调制的光阑 :ZP4(}  
 探测器 rAc Yt9M#  
- 光线可视化（3D显示） _eB?G  
- 波前差探测 L{v^:  
- 场分布和相位计算 OH.Re6Rr  
- 光束参数（M2值，发散角） h)%}O.ueB  
 模拟/设计 fI{ZElPp  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 pUvbIbg+  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： `w_?9^7mH  
 分析和优化整形光束质量 h[5<S&  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析
S(7_\8h  
-29Sw  
系统说明 .Y
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-Jo8jE~>V  
jzuOs,:R  
模拟和设计结果 3pxm0|  
M`W%nvEDE  
数值探测器结果 _1z|QC  
L*ZC` .h  
];bl;BP  
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y.e Fz  
btq`[gAF\  
总结 aBPaC=g{HO  
=AFTB<7-^  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~Rzn =>a  
1.模拟 }$K2h*  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 UWdPB2x[  
2.评估 l@+WGh  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ,hj5.;
M  
3.优化 )I80Nq  
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。 %G%##wv:  
4.分析 U @Il:\I  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ^ <Z^3c>/  
$}d| ~q\  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 =-M)2&~L~  
njk.$]M|nf  
详述案例 KtWG2  
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系统参数 !Jo3>!,j  
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案例的内容和目标 c65_E<5Z  
Te%'9-jk  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 1vTncU!  
<B]\&  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ?Gq'r2V  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 -e=p*7']  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 xF)AuGdp\  
0dKI+zg
r  
模拟任务：反射光束整形设置 d*26;5~\  
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。 Az.k6)~  
G Q&9b_  
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I)~&6@Jn  
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nZ>bOP+,  
规格：像散激光光束 W11Wv&  
9I>+Q&   
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 :$&%Pxm  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 qC9$xIWq  
'hl>pso.  
i/rdPbq  
*uR&d;vg.8  
_A*5BAB:h(  
s)$N&0\  
规格：柱形抛物面反射镜 gWp\?La  
                         _W41
;OY  
 有抛物面曲率的圆柱镜 T>(nc"(  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 2Mc/ah  
 曲率半径等于焦距的两倍 zdCeOZ 6  

! /Z{uy  
-If-c'"G  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Wvl>iHB  
.BGM1ph}~  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ./@!k[  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） -k{n"9a9?  
 离轴角决定了截切区域 66<3zadJZU  
JGPLVw  
规格：参数概述（12° x 46°光束） -UaUFJa8K&  
3kFOs$3  
   0$3\DS<E  
16MRLDhnD  
光束整形装置的光路图 NLFSw  
6#XB'PR2p  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 |w2H5f{fR  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 !3>(fj+QS  
._m+@Uy]H}  
反射光束整形系统的3D视图 '1A S66k  
&LE,.Q34  
ua1ov7w$]  
ig:/60Z  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 &Zl$7  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 d3h2$EDD  
o{yEF1,c\  
详述案例 }f)$+mi  
"bAkS}(hB(  
模拟和结果 ;cl\$TDL  
>TUs~  
结果：3D系统光线扫描分析 LRBcW;.Su  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 a'w~7y!}  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 M}NmA  
?Y2ZqI  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ^"\ jIP  
UKp- *YukT  
使用参数耦合来设置系统 eRQ}`DjTk  
> 4ex:Z  
!b0'd'xe  
自由参数： 3DnlXH(h1  
 反射镜1后y方向的光束半径 6Y6DkFdvrZ  
 反射镜2后的光束半径 @cdd~9w  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 78>)<$+d  
 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。 9ctvy?53H  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 24"Trg\WK[  
V|b9zHh  
D8N}*4S  
8;;!2>N  
Zh`lC1l'  
Et
ty{r}  
A_1cM#4  
自由参数： 7PO3{I  
 反射镜1后y方向的光束半径 cVJ
"^wgBt  
 反射镜2后的光束半径 ')t :!#  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） cc7*O  
 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。 %se4aeOrX  
ZB GLwe  
Pcut#8?  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 {]<l|qK  
I&]d6,  
aYr?J Ol  
结果：使用GFT+进行光束整形 3}=r.\]U  
{8UYu2t  
G$pTTT6#  
S!<YVQq  
#pP4\n-~hU  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 jW*|Mu>2  
?|'+5$  
;vvO#3DWM  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 !"/]<OQ   
=3OK3|  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 7l> |G,[c  
qPZ'n=+  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： dt(~)*~R  
K: g_M  
zvV<0 Z  
QQUeY2}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /^^t>L  
,dn9tY3  
结果：评估光束参数 n4Nb,)M  
n/#zx:d?  
t!RR5!  
 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。 0 3fCn"  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 G'IqAKJ  
jY%&G#4  
/!;oO_U:#  
 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。 h\\
fb[``  
 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） GL$!JKWp  
ehk5U,d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
kcKcIn{  
q`z/ S>  
光束质量优化 H-A?F^#  
.?R~!K{`  
r_nB-\  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 YXI_ '  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 uKc x$  
W_l/Jpv!W  
结果：光束质量优化 G n"]<8yl~  
\MBbZB9@  
c*2U'A  
 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。 r(;oDdVc  
!.1oW
(  
Y,Dd}an  
[ZC]O2'  
 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。） .[&0FHnJ5  
_R&mN\ey5  
rD=8O#m g  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd cb!mV5M-g  
[8|Y2Z\N
 
反射镜方向的蒙特卡洛公差 h}-}!v  
-&4>>h9_  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Cbu/7z   
t80s(e  
a(AKVk\  
 这意味着参数变化是的正态 -!MrG68  
K~'!JP8@  

2%|  
MmiC%"7wt  
< kyT{[e+6  
 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*[>LpZ  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 xxjg)rVuy  
)_bc:6Q  
-e<d//>  
_CqVH5U?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run $ N`V%<W  
,/0Q($oz
 
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） \kSoDY`l&  
$pW6a %7  
^b|Z<oF  
yg({g "  
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。 )9/.K'o,dy  

Ed
GA#i3  
总结 ^u'hl$`^  
k1tJ$}  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _)|_KQQu  
1.模拟 fP3e{dVf  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 .OhpItn  
2.研究 X3[gi`  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 l e+6;'Q  
3.优化 A/5??3H  
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。 O-m=<Fk> D  
4.分析 48%-lkol)  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 k(hYNmmo j  
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。 #yNSQd  
4I7B #{  
参考文献 [/dGOl+  
[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). ?%RAX CK  
fP 1V1ao  
进一步阅读 c:#<g/-{wM  
1{6BU!  
进一步阅读 5)712b(&  
 获得入门视频 b-*3]gB  
- 介绍光路图 "FuOWI{in  
- 介绍参数运行 U@t"o3E  
 关于案例的文档 %=p:\+`VI  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens #'`!*VI  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 2n]UNC  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 'I$-h<W  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair