[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） qzxWv5UH  
elGBX h  
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 a. D cmy{  
?GNRab  
D? %*L  
1
8%$Z$K,  
简述案例 >$rH,Er  
+ >dC  
系统详情 h )Y.jY  
 光源 ]@z!r2[  
- 强象散VIS激光二极管 HLDv{G'7  
 元件 |+Rx)  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） >x6\A7  
- 具有高斯振幅调制的光阑 S;Sy.Lp  
 探测器 VO:  
- 光线可视化（3D显示） Kn$E{F\  
- 波前差探测 |;a$ l(~<  
- 场分布和相位计算 ]SA/KV   
- 光束参数（M2值，发散角） }|Q\@3&  
 模拟/设计 `$1A;wg<  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 G2wSd'n*y  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： C<a&]dN/  
 分析和优化整形光束质量 sYXLVJ>b  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 B]yO  
$> QJ%v9+  
系统说明 ,|$1(z*a{c  
D]iyr>V6'  
P|ibUxSA~,  
模拟和设计结果 sqhIKw@  
k8n9zJ8  
数值探测器结果 NKFeND  
3'L =S  
F7C+uGTs  
6rE8P#  
:yJ#yad  
总结 fGeie m  
3%9XJ]Qao  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 u{uqK7]+  
1.模拟 ^"lEa-g&  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Xl<*Fn?  
2.评估 J(]b1
e  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )Dhx6xM[a  
3.优化 /z!y[ri+J  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 B)DuikV.D  
4.分析 :/PxfN5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 |ul{d|  
N?rE:0SJ  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 [C-FJ>=S  
3hJ51=_0^  
详述案例 L"1AC&~u  
It2:2  
系统参数 UT{`'#iT  
7ieAd/:_  
案例的内容和目标 R9-mq;u+  
nZYO}bv\  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 4!ZT_q  
PS!or!m  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 +:aNgO#e8  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 1\lZ&KX$i  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 4k{xo~+%,  
Z-}A"n
 
模拟任务：反射光束整形设置 eFy {VpO+  
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。 R$dNdd9m  
FD%OG6db];  
4;32f`  
WCqa[=v)t  
7;.Iat9gMf  
T_wh)B4xW  
规格：像散激光光束 t<}N>%ZO  
X<W${L$G  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Z"Q9^;0%  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 XCxxm3t  
/={N^8^=x  
l*CCnqE  
rN.8-  
icVB?M,m  
"Il)_Ui  
规格：柱形抛物面反射镜 O\=Zo9(NHF  
                         f*xv#G  
 有抛物面曲率的圆柱镜 *(wxNsK  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 plr3&T~,&S  
 曲率半径等于焦距的两倍 )Xt#coagS  
+_*iF5\  
3;uLBuZOCN  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 64"DT3:  
5L
7nEia'  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Ks^wX  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） e6 <9`Xg  
 离轴角决定了截切区域 <dXeP/1w`  
B=r+ m
;(  
规格：参数概述（12° x 46°光束） h^,L) E  
o7PS1qcya<  
   \j.l1O  
>lJTS t5{  
光束整形装置的光路图 K0I.3|6C  
aehB,l0  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 '4M;;sKW  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 p7izy$Wc  
/#t::b+>x  
反射光束整形系统的3D视图 #tw_`yh  
,@M<O!%Cs  
qMA";Frt3N  
-M T1qqi  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。  O^
&m  
 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）。 S|6i]/  
1BP/,d |+  
详述案例 U ){4W0  
[P}mDX  
模拟和结果 Dwr"-  
=C|^C3HK  
结果：3D系统光线扫描分析 $|[N3  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 B o%Sl  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 b53s@7/mq  
w~=xO_%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c7[Ba\Cr4h  
3'0Jn6(  
使用参数耦合来设置系统 Fs=)*6}&  
\W=Z`w3  
x]R0zol  
自由参数： %z.d;[Hs  
 反射镜1后y方向的光束半径 P)Oe?z;G?  
 反射镜2后的光束半径 +n%8
*F&  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
NMC0y|G  
 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。 0~[M[T\  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Yu
J{@"H  
,Qo:]
Mj  
n\BV*AH  
z/p^C~|}  
Zn
uRy:  
MJH>rsTQ  
@`^Z5n.4  
自由参数： \F+".X#jh  
 反射镜1后y方向的光束半径 X(8LhsP  
 反射镜2后的光束半径 6o(.zk`d  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） J*:_3Wsy  
 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。 eIf-7S]m  
' eWG v  
j+gh*\:q  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 l0ZK)  
`f
G<iBD  
+br' 2Pn  
结果：使用GFT+进行光束整形 F8/n;  
DFRgn  
W(-son~I  
c]
$$ap  
\TDn q!)?  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ^R(=4%8%"  
z?UEn#E2
 
1L?W+zMO  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ;/IXw>O(/  
;l < amB  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 '[_.mx|cd`  
]'hel#L;l  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： iex]J@=e  
y;P%=MP  
BXz g33  
x~D8XN{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Of9 gS-m  
P^lzbWj^  
结果：评估光束参数 muFWFq&yP  
&#.>-D{  
]ZI@?H? O  
 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。 ;DKJ#tS}"  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 |;p.!FO  
KO"+"1 .  
hm<:\(q  
 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。 Df(+@L5!  
 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） iorQ/(  
K]dR%j  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd s8';4z  
T+%P+  
光束质量优化 Wu8zK=Ve(  
z XUr34jF  
XSh[#qJ  
 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。 ;W\?lGOs{  
 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）。   
;!3: 3;  
结果：光束质量优化 =
xSf-\F  
Wk!<P" nHd  
Qz$nWsD  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 - _%~b  
TDy$Mv=y  
2zX9c<S=5  
"t-9q  
 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。） {/48n83n  
@zLyG#kHY  
)?6%d  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd lB#7j  
d%E*P4Ua  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 )6o%6$c  
GsiKL4|mj  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 |~rKDc  
.>1Y-NM  
]kO|kIs  
 这意味着参数变化是的正态 O+[s4]  
(/{bJt~b  
BV}sN{  
kcMg`pJ4<  
^D ;EbR  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 .CW,Td3f!  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Kt/:caD  
,<s:* k  
-%V~1  
la^K|!|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run nFn}  
]A1'+!1$  
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） b"OHXu  
:" JEC'  
bPV;"  
Zv8_<>e  
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。 {*<%6?  
8u1?\SYnb  
总结 T!^v^m@>y  
\vS >jB  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 4C*0MV  
1.模拟 6(E
R$  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ;w._/  
2.研究 ' hdLQ\J  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 P=s3&NDD  
3.优化 :dxKcg7  
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。 g?cxqC<  
4.分析 mSO7r F  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Q"3gvIyc  
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。 6 tB\X^  
C3 BoH&  
参考文献 iDltN]zS  
[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). O]@s`w  
nEbZ8M  
进一步阅读 K%u>'W  
RRl`;w?  
进一步阅读 ]]y,FQ,r  
 获得入门视频 vV"I}L  
- 介绍光路图 b S'dXP  
- 介绍参数运行 w U1[/  
 关于案例的文档 6:Y2z!MLO  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens j'lC]}kH  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens {]dvzoE]  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing \c!e_rZ  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair