[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） C;1A$]bk  
7*r Q6rAP  
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 8
T):b2h  
p&>*bF,  
5IOOVYl  
_*>bf G  
简述案例 9gZMfP  
+?w 7Nm`  
系统详情 V}. uF,>V  
 光源 {KxeH7S
 
- 强象散VIS激光二极管 pEuZsQ  
 元件 Kyt.[" p  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） n#uH^@#0  
- 具有高斯振幅调制的光阑 5Q#;4  
 探测器 =Mzg={)v  
- 光线可视化（3D显示） OL4I}^*,  
- 波前差探测 +dX1`%RR[  
- 场分布和相位计算 ZR.1SA0x?O  
- 光束参数（M2值，发散角） Nwr.mtvh  
 模拟/设计
m2E$[g  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 |NJe4lw+?  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： SpPG  
 分析和优化整形光束质量 >@KQ )p' `  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ^1s!OT Is  
]( V+ qj
 
系统说明 bY|%ois4  
WPygmti}Be  
A{iI,IFe  
模拟和设计结果 veFl0ILd  

VUC  
数值探测器结果 :y==O4  
Z4A a  
#4%4iR5%  
]W7(}~m  
3UU]w`At  
总结 I+Qv$#S/  
blNE$X+0|  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 kT@RA}  
1.模拟 :@jhe8'w  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 LTj;e[  
2.评估 b Gq0k&  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 0#lw?s
v  
3.优化 ; Xrx>( n  
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。 |7,|-s[R^  
4.分析 1@q~(1-o  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 TC[_Ip
&  
W7>4-gk  
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。 Qj5~ lX`W  
["- pylhK  
详述案例 j!q5Bc?  
#qXE[%  
系统参数 Xt~`EN  
zvf:*Na")  
案例的内容和目标 @P#uH5U  
qIcQPJn!}  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 P1;T-.X~&  
-FytkM^]6  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ^prseO?A  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ?jbE3fW  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 n)uvN  
o"~ODN"L  
模拟任务：反射光束整形设置 0JQy-hpF  
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。 pA%XqG*=Y  
jLX{$,  
xy>wA  
@iK=1\-2  
C=(-oI n  
\bY
uAE1q  
规格：像散激光光束 DrLNY"Zq  
!|_b
}/  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 vK6YU9W~J  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 >C y  
r`XIn#o  
|7]7~ 6l  
WXu:mv,'e  
tW53&q\=  
J_YbeZ]  
规格：柱形抛物面反射镜 1MHP#X;|  
                         \}xK$$f2,  
 有抛物面曲率的圆柱镜 fiz2544  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ;8/w'oe*j  
 曲率半径等于焦距的两倍 )tR5JK} AV  
kK&tB  
Mm`jk%:%]  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） /:v+:-lU  
GY<E
rS)2  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ~ ui/Qf2|  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） C-d|;R}Ww  
 离轴角决定了截切区域 &?>h#H222  
{PgB
~|W  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 3Yf%M66t  
@3KVYv,q  
   ,\!4A  
5,`U3na,  
光束整形装置的光路图 5x?eun  
=Xze).g  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 uMa: GDh7  
 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。 L;/#D>U(  
-/|O*oZ  
反射光束整形系统的3D视图 q9o =,[  
jb1OcI%  
bcL>S$B  
rt$z&#M  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 n4\6\0jq6  
 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）。 4NN-'Z>a  
j[NA3Vj1P  
详述案例 2uFaAAT  
b\NWDH7}  
模拟和结果 J0zudbP  
`q* 0^}  
结果：3D系统光线扫描分析 &&$/>[0=.  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Ag}V>i'  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 fZ$
<'(t  
}'$6EgX  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;wND?:  
xn)FE4  
使用参数耦合来设置系统 q# gZ\V$I  
S+>&O3m  
}u cqzdk#2  
自由参数： NHA 2 i  
 反射镜1后y方向的光束半径 !VpZo*+  
 反射镜2后的光束半径 q)gZo[]~  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） :}x\&]uC#k  
 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。 Ht? u{\p@  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 X5 lB],t"=  
l|O^yNS  
:Q2\3  
W~p^AHco`  
6nt$o)[  
+5Ir=]=T9  
^!k^=ST1J  
自由参数： 'j#oMA{0  
 反射镜1后y方向的光束半径 dgd&ymRm :  
 反射镜2后的光束半径 v}A] R9TY  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） OP |{R7uC  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 R<LW*8  
z/ T|  
p9R`hgx  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 "Nd$sZk=  
yGgHd=?  
qMYR\4"$  
结果：使用GFT+进行光束整形 a$#,'UB  
M_MiY|%V/K  
oV?tp4&  
Jx-^WB  
COv#dOw  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 i051qpj  
JeMhiY}  
~U*2h =]  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 8"wA8l.  
c}Jy'F7&f  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 dDW],d}B;  
hw_7N)}  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 0LoA-c<Ay  
v3S{dX<  
H;*:XLPF  
X X{:$f+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd L3Ry#uw  
T7m rOp  
结果：评估光束参数 )ty *_@N0  
;Iw'TF   
*[ Wh9 ,H  
 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。 ~J)4(411  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ( NjX?^  
yN{Ybp  
<S $Z  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 'Twi @I  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） 5 W(iU  
DBCL+QHA  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 0J$wX yh  
po=*%Zs*T  
光束质量优化 dyWWgC%A  
-2> L*"^  
p: sn>Y  
 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。 b_V)]>v+  
 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）。 FD|R4 V*3  
LU?#{dZ  
结果：光束质量优化 rorzxp{  
dq:M!F  
~l6e&J  
 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。 }E>2U/wpXY  
U{>!`RN  
)yJeh  
2:pq|eiF  
 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。） A ,LAA$  
\`>Y  
!}1n?~]`  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd [n74&EH  
<@*mFq0,  
反射镜方向的蒙特卡洛公差  C&e
  
,z%F="@b9  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 mqsf#'ri  
*tRJ=  
CdZ;ZR  
 这意味着参数变化是的正态 d_5h6Cz4  
TlBLG.-^  
b17p;wS  
&`>*3m(  
~PlwPvWo  
 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。 lq.0?(  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 "g=ux^+X\  
E\V>3rse  
ew`R=<mZ,7  
@~63%6r#4M  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 1>1|>%  
Ccc6 ko_  
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） N_gjOE`x5  
~MhPzu&B  
3ZZJYf=  
{ @-Q1  
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。 /$9/,5|EA  
DdSUB  
总结 p{-1%jQ}]  
;m
`I}h<  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 zG@!(  
1.模拟 F`u{'w:Hv  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 efbt\j6@%2  
2.研究 P?0b-Qr$a  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 X&p-Ge1>z  
3.优化 RMi 2Ip  
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。 pp{);  
4.分析 xxV{1, H2  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 D 'u+3  
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。 "(C}Dn#  
fptW#_V2  
参考文献 Q z/pz_}  
[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). 1qQgAhoY  
2j"%}&  
进一步阅读 n]o+KT\  
*|=&MU*+  
进一步阅读 k~vmHb
 
 获得入门视频 L>L4%?  
- 介绍光路图 -d[x09  
- 介绍参数运行 a"EQldm|d  
 关于案例的文档 uY;/3?k&  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens C8t+-p  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 4\$Ze0tv  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 5#fLGXP  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair