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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) g.B%#bfg  
    8sN#e(@  
    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 7BL |x  
    gk!E$NyE  
    v2 29H<  
    jOUK]>ox:  
    简述案例
    eu# ,WwlG  
     0dgP  
    系统详情 kz ZDtI)  
    光源 KQG-2oW  
    - 强象散VIS激光二极管 @s_3 0+  
     元件 G'ij?^?  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) w)+wj[6 E  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 yfmp$GO:  
     探测器 E,{GU  
    - 光线可视化(3D显示) z%(Fo2)^  
    - 波前差探测 2v0!` &?M{  
    - 场分布和相位计算 si_W:mLF{a  
    - 光束参数(M2值,发散角) $4Z+F#mx  
     模拟/设计 BjJ,"sT  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 2O eshkE  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): WtEI] WO  
     分析和优化整形光束质量 ?b||Cr  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 rRB~=J"  
    ~9Z h,p ;  
    系统说明 QX[Djz0H8  
    ^_v[QV  
    q[7CPE0n  
    模拟和设计结果 \)ip>{WG  
    qE )Y}oN  
    bS>R5*Zp  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 8wr8:( Y$  
    \ht ?G n  
    S]}}A  
    b"I~_CL|  
    B[r<m J  
    总结 ,V,f2W 4  
    .*BA 1sjE  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ?hnx/z+uT  
    1.模拟 eP"`,<  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 3y99O $EAc  
    2.评估 m6^ 5S  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 iOXZ ]Xj5  
    3.优化 *h$&0w y  
    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。 ( S`6Q  
    4.分析 ?WQNIX4  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ~.J,A\F  
    *i^`Dw^~y  
    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。 SxJ$b  
    Z7fg 25  
    详述案例 sYJL-2JX  
    ;f:gX`"\  
    系统参数 `H\)e%]  
    &iNwvA%9D  
    案例的内容和目标 >!L&>OOx  
    CK0l9#g  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 .wmnnvtl,  
    K/txD20 O|  
    [$pmPr2  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ciudRK63M  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 |~WYEh  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 t6+YXjXK  
    !^e =P%S  
    模拟任务:反射光束整形设置 Ytao"R/  
    引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 44\cI]!{  
    /.Fj.6U5  
    v!9i"@<!  
    F30 ]  
    3uV4/% U  
    d H? ScXM=  
    规格:像散激光光束 T dk ,&8  
    %y&]'A  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 1svi8wh  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ib$nc2BPb  
    {hQ6K)s  
    wG 1l+^p  
    er2cQS7R  
    06 i;T~Y  
    \}5p0.=  
    规格:柱形抛物面反射镜
    =wG+Ao  
                             7AwgJb hn  
     有抛物面曲率的圆柱镜 )}MHx`KT2  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ('C7=u&F  
     曲率半径等于焦距的两倍 oFDz;6  
    kkS~4?- *  
    A(8n  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) 8 Ti G3  
    #aar9  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 I7n3xN&4"  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) @?kM'*mrZM  
     离轴角决定了截切区域 9MY7a=5E~  
    LOvHkk@+  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) kL>d"w  
    ?kTWpXx"=  
       CSTI?A"P  
    At6qtoPRA  
    光束整形装置的光路图 a.@qGsIH  
    `_vB+a  
    ua5?(,E`']  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ?wb+L  
     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。 id^sr Mw  
    +G F#?X0^  
    反射光束整形系统的3D视图 Sv'y e  
    I.'b'-^  
    -%CoWcGP  
    1L nyWZ  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @U{<a#  
     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)。 ({^9<Us  
    ::5E8919  
    详述案例 r?/A?DMe  
    G:W>I=^DaR  
    模拟和结果 crcA\lJf  
    L';MP^  
    结果:3D系统光线扫描分析 c{+AJ8  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 ? "/ fPV-  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 kc `V4b%  
    l_rn++  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd N|g;W  
    *?ITns W<  
    使用参数耦合来设置系统 nmU_N:Y  
    a:, y Z  
    I6!5Yj]O"  
    自由参数: bx4'en#  
     反射镜1后y方向的光束半径 ~PWSo%W8  
     反射镜2后的光束半径 ^Xb7[ +I6  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) [, RI-#n  
     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。 (-77[+2  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 #H?t!DU  
    # ]?bLm<!  
    G!N{NCq  
    B/JO~;{  
    {66sB{P  
    X~=xXN.  
    -|k)tvAm  
    自由参数: X?:o;wB  
     反射镜1后y方向的光束半径 fWc|gq  
     反射镜2后的光束半径 #11NPo9  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 2&'|Eqk  
     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。 2T@GA 1G  
    ._w8J"E5  
    u]-_<YZ'B  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 7;@ST`cC  
    g"s$}5{8:  
    TGXa,A{  
    结果:使用GFT+进行光束整形 {GDmVWG0q  
    )n49lr6 X  
    0P^L}VVX  
    %J:SO_6  
    ,;?S\V  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 DS-0gVYeDW  
    S{4z?Ri, '  
    0~wF3BgV  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 /={Js*  
    7]xm2CHx5  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 HoV^Y6  
    &cWjE x  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: /-bF$)vN  
    4(}J.-B  
    W?yd#j  
    ^-mRP\5  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ah @uUHB  
    a?|vQ*W  
    结果:评估光束参数 Gb[`R}^dq  
    Pq*s{  
    09A X-JP  
     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。 ETp%s{8  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 21s4MagC  
    Sxdsv9w  
    `Y-|H;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。 !USd9  
     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) du$|lxC  
    )jWO P,|  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd .=m,hu~  
    *k"|i*{  
    光束质量优化 lis/`B\x  
    H&r,FmI@  
    j!7`]  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 (~zd6C1.  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    &g2 Eptx#  
    `V)Z)uN{0  
    结果:光束质量优化 0 a]/%y3V  
    9/+Nj/  
    o6f_l^+H  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 k = ?h~n0M  
    E?(xb B  
    dKl^jsd  
    + OV')oE  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) OD' ]:  
    sr@j$G#uW5  
    %m:m}ziLQ  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd G'YH6x,  
    .2J L$"  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 eEhr140  
    XLMb=T~S  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 # :T-hRu  
    .NtbL./=|  
    M#|dIbns H  
     这意味着参数变化是的正态 cA6lge<{~  
     L4uFNM]  
    Sq:0w  
    cRX~z  
    5[j`6l  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 NrP0Ep%V  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 d #jK=:eK  
    3\T2?w9u(  
    7d92 Pe  
    ''\;z<v   
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ~4q5 k5.,  
    NEa>\K<\  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) 9&RFO$WH  
    (E]!Z vE  
    Kscd}f)yx?  
    wP,JjPUt  
    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。 s,a}?W  
    Be+0NXLVy  
    总结 sB69R:U;  
    OFje+S  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =@F&o4)r  
    1.模拟 e.c3nKXZ q  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Zo>]rKeV  
    2.研究 pLv$\ MiZ  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 p&VU0[LIC0  
    3.优化 AyMd:5;  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 QRLt9L  
    4.分析 9'hv%A:\3  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 bI|2@H V2  
    可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 YJ(*wByM  
    A)ipFB 6K  
    参考文献 t43)F9!  
    [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). r,_?F7  
    %'0T Xr$  
    进一步阅读 Pz$R(TV  
    a1Qv@p^._b  
    进一步阅读 MQin"\  
     获得入门视频 C* nB  
    - 介绍光路图 %v2R.?F8  
    - 介绍参数运行 \=>H6x]q  
     关于案例的文档 #nh|=X  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Ytgj|@jsp  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens UwC=1g U  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing T6ENtp  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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