[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） "!ZQ`yl  
j20/Q)=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 Zj+S"`P  
n~1F[ *  
Q]JWWKt6rV  
:]Nn(},  
简述案例 r8.`
W\SKX  
rq>}] U  
系统详情 /5Od:n  
 光源 }V:B,:  
- 强象散VIS激光二极管 dRdI('  
 元件 ?QDHEC62  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） {7kJj(Ue  
- 具有高斯振幅调制的光阑 \dm5Em/  
 探测器 $?_/`S13  
- 光线可视化（3D显示） /|<Pn!}J  
- 波前差探测 k? <.y
r1  
- 场分布和相位计算 jR1o<]
?  
- 光束参数（M2值，发散角） `fnU p-  
 模拟/设计 ;u+k!wn  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ~.Wlv;  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： J!{t/_aw  
 分析和优化整形光束质量 HT`k-}ho,  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 )j/2Z-Ev:W  
3WVH8Sb  
系统说明 Bi.,@7|>  
IP LKOT~  
r}**^"mFy  
模拟和设计结果 w#XD4kwQG  
]C;X/8'Jf5  
数值探测器结果 %O69A$Q[m  
,QeJ;U  
GM~Ek]9C%  
`!udU,|N  
Y>/T+u
b  
总结 =bBV A0y  
DruiiA  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 !*?|*\B^I  
1.模拟 |erG cKk  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 F@tfbDO?  
2.评估 HBdZE7.x)3  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 &KYPi'C9!z  
3.优化 %eE0a4^".  
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。 fN_qJm#:$y  
4.分析 vg-Ah6BC{  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 RoFOjCc>D.  
2q NA\-0i>  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 iV$TvD+  
/E39Z*  
详述案例 :`>$B?x+  
YYN'LF#j  
系统参数 mo?*nO|-  
b9xvLR8  
案例的内容和目标 kR+7JUq]  
QZm7 Q4  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 9Q.@RO$%C  
45,):U5  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 mDXG~*1  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 >T#" Im-  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 7BS5Eq B=  
-d.i4X3j  
模拟任务：反射光束整形设置 lPy|>&Yc  
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。 ~:ASv>m  
@Zt~b'n  
vO}r(kNJ  
l0qaTpn  
F9fLJol  
PCviQ!X  
规格：像散激光光束 lsz3'!%Y)  
UA>=# $  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 -?Cr&!*B  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 m2PUU/8B/  
>y3FU1w5d  
R#T-o,m  
S!(3-{nC  
F@BpAl  
?doI6N0T  
规格：柱形抛物面反射镜 F.[%0b E  
                         Tagf7tw4  
 有抛物面曲率的圆柱镜 BEDkyz;:  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 TnF~'RZYb  
 曲率半径等于焦距的两倍 >8f~2dH2%  
y )QLR<wf  
nu0pzq\6  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） %*R, ceuI  
bMO^}qR`  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 HpnF,4A>  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） l_g$6\&|  
 离轴角决定了截切区域 IW~R{ ]6  
s<I
)T
HC  
规格：参数概述（12° x 46°光束） %7#<K\])  
gRLt0&Q~  
   %U\,IO`g  
$L*gtZ  
光束整形装置的光路图 
>?$2`I  
;_<~9;  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 on_h'?2  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 nWd!ovd  
1&w%TRC2x  
反射光束整形系统的3D视图 7^eyO&4z  
]A5F}wV4  
qc8Ge\3s  
jSI1t
W8  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 };Q}C0E  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 csP4Oq\g[  
K~L&Z?~|E  
详述案例 m$vq%[/#  
)N.3Q1g-  
模拟和结果 s)-An(Uw  
)D8op;Fn  
结果：3D系统光线扫描分析 1Lb)S@Q`*R  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 _^iY;&  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 q5f QTV  
j7}mh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;4 ;gaf  
6n9/`D!  
使用参数耦合来设置系统 9g6$"',H  
v "l).G?  
-.D?Z8e  
自由参数： -P;3BHS$T  
 反射镜1后y方向的光束半径 ,DFN:uf=l  
 反射镜2后的光束半径 Vn#}f=u\  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） %]P{)*y-?  
 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。 a%%7Ew ?  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ;[y( 14g  
rJiF2W  
T+Yv5l  
nCYz];".  
SeHrj&5U  
+`d92Tz  
Oo|JIr7i  
自由参数： A$2 ;Bf  
 反射镜1后y方向的光束半径 [4"(\r\f  
 反射镜2后的光束半径 u62H+'k}F  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） r_+Vb*|Y  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 d+DO}=]  
]L3U2H`7  
"Q@m7j)(  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 \&
F4Wl>`  
@Ou H=<YN  
kFjv'[Y1N  
结果：使用GFT+进行光束整形 CR [>5/:M  
.@{v{  
ip?]&5s  
`l45T~`]$  
An_(L*Qz  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 lWRl  
d/ Lz"  
{IOc'W-C#2  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 B EwaQvQ!  
Ou
[`)|>  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Noj*K6  
lJ3VMYVrUP  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： `,AOxJ:$  
|uy@v6  
_|e&zr  
YeCnk:_ kg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 2)IM<rf'^  
dNR/|  
结果：评估光束参数 |&K;*g|a  
B W*8  
+pYgh8w@  
 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。 C]b:#S${  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 18X?CoM~  
A.*e8a/6X  
k -G9'c~  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 O.jm{x!
m  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） e (]]  
U-DQ?OtmC@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd '/`O*KD]  
|ru!C(  
光束质量优化 d5-Q}D,P  
^?{&v19m  
UG\2wH_  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 zWo  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 <,$*(dX)(  

QyCrz{/  
结果：光束质量优化 |ufT)+:  
.4]XR/I$  
tD`^qMua  
 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。 Xr^ 5Th\  
}V]*FCpQ  
%3dc_YPS  
r.)n
>  
 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。） 50 w
$PW  
XOX$uLm  
62nmm/c  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 0`zdj  
<e#v9=}DI  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 W?SAa7+  
B^9C}QB
 
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 +76'(@(1Y  
'T^MaLK  
F3V:B.C  
 这意味着参数变化是的正态 xJw" 8V<  
a;dWM(;Kw  
wmV=GV8 d  
kYCm5g3u  
< e3] pM  
 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。 (
,sz.  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 n7i~^nf>  
] K&ca  
N5l`Rq^K  
EwcFxLa!F  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run &LI q?  
47Vt8oyh%  
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） ommW  

w*"Ii%iA<  
c611&  
2FdwX,O.  
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。 BO}IN#  
Q0`@=5?-  
总结 Ho}*Bn~i
c  
GR(m+%Vw!  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {{gd}g  
1.模拟 %o/@0.w  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 \1-lda  
2.研究 |Zn;O6c#L5  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。  e+#Oj  
3.优化 p]X+#I<  
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。 ?0u"No52m  
4.分析 >r)UDa+  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Ib2&L  
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。 | #a{1Z)  
R4)l4rnO  
参考文献 %1cxZxGT  
[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). 3\{acm
 
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进一步阅读 x-
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进一步阅读 o4 "HE*  
 获得入门视频
G,6`:l  
- 介绍光路图 PRYm1Y  
- 介绍参数运行 P\[K)N/1  
 关于案例的文档 902A,*qq  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Ts, U T L  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens VwBw!,%Ab  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing oT:wGBW  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair