[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Krr51`hZH  

r4]hcoU  
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 -r[O_[g w  
m
;vm7]5  
6-\M }xq?  
Zb+n\sv4  
简述案例 Ls&-8  
5&]a8p{  
系统详情 "_\77cqpTh  
 光源 FyV $`c$  
- 强象散VIS激光二极管 mzf^`/NO  
 元件 d 0:;IUG  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 4v`;D,dI
u  
- 具有高斯振幅调制的光阑 P[H 4Yp  
 探测器 ^KQZ;[B  
- 光线可视化（3D显示） Kw`}hSE>o  
- 波前差探测 mqiCn]8G  
- 场分布和相位计算 E.CG  
- 光束参数（M2值，发散角） yz%o?%@  
 模拟/设计 hh-sm8  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 hE +M|#o  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： n9k-OGJ  
 分析和优化整形光束质量 g,f AVM  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 eX'V#K#C  
U<"k-  
系统说明 D#d/?\2  
mS+sh'VH  
,fhK  
模拟和设计结果 1\/^X>@W{  
<{z-<D
;  
数值探测器结果 id>2G %Tx  
.Z@iz5  
"?'9\<>  
t~Qj$:\  
UDlM?r:f  
总结 [u^~ND'  
Pt/F$A{Cj  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ^a7a_M  
1.模拟 H^jcWwy:  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 +[[^W;<.l  
2.评估 4!-/m7%eF  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 </2Cn@  
3.优化 j$P`/-N  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 [*r=u[67F  
4.分析 Ru$%gh>v  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 m-Qy6"eW  

, 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。 Axla@  
]#W9l\  
详述案例 $NBQv6#:  
CxrsP.  
系统参数
3s#/d,+  
NOl/y@#  
案例的内容和目标 D=M'g}l  
D_BdvWSxj  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 !#PA#Q|cO  
8k^1:gt^  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 IB^vEY!`6_  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 m:cWnG  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 9T<k|b[6  
_TbvQY  
模拟任务：反射光束整形设置 *`t3z-L  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ">q?(i\  
UryHte  
lN*"?%<
x>  
.+5;AtN  
eRg;)[#0>$  
3o#K8EL  
规格：像散激光光束 :DFtH13qO  
wNMA)S  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 4H`B]Zt7  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 zG<>-?q~'  
m[hHaX  
e]V7 7oc  
Wli!s~c5Fo  
SfPtG  
wif1|!aL  
规格：柱形抛物面反射镜 CUj$ <ay=  
                         GYV%RD#  
 有抛物面曲率的圆柱镜 )00jRuF  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 gj82qy\:  
 曲率半径等于焦距的两倍 SGpe\P]k  
}'h\;8y  
%:7/ym[  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 3w+ +F@(  
G9CL}=lJ,  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 QfL8@W~e  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） eH%
i8a  
 离轴角决定了截切区域 i1!Y{  
v1 f^gde  
规格：参数概述（12° x 46°光束） G'Uq595'-  
{T3wOi
  
   \<\147&)r  
i"n1E@  
光束整形装置的光路图 'r}y{`3M  
0&c<1;  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 0kaMYV?  
 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。 3vEwui-5  
\4uj!LgTb  
反射光束整形系统的3D视图 hO(A_Bw  
Hh%|}*f_,  
1JZhcfG  
3C2~heO>|  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 |C7=$DgwY  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 .xtam 8@  
DK#Tr: 7  
详述案例 \3O1o#=(  
f5'vjWJ30  
模拟和结果 UhSaqq  
gY_AO1  
结果：3D系统光线扫描分析 -c%'f&P  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 (>gb9n  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ,+FiP{`  
y>ePCDR3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd b3q&CJ4|  
:PBW=W  
使用参数耦合来设置系统 cY.5z:7u~v  
`Nv7c{M^  
[2z >8SL  
自由参数： YH&0Vy#c$  
 反射镜1后y方向的光束半径 H2CpZK'  
 反射镜2后的光束半径 (_fovV=  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） P@U2Q%\  
 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。 3/8<dc  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 B%z+\<3^q  
`Yyi;!+0  
8#RL2)7Uy`  
{%6g6?=j  
G1wJ]ar  

^[b DE0  
c=p!2jJ1K~  
自由参数： @Z Dd(xB&  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]i8t  
 反射镜2后的光束半径 TmJXkR.5  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） >&Y\g?Z6G  
 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。 "MyMByomQ  
ME*A6/h  
-6# _t  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Eopb##o  
2 e&M/{  
F:LrQu  
结果：使用GFT+进行光束整形 A
m#Pa,g  
euET)Ccq  
^O&&QRH~w  
RJdijj  
~\ v"xV  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 x}#N?d
  
5X:3'
*  
|?ZNGPt  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 u"DE?  
l$m}aQ%h  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 e /L([  
n_*.i1\'w  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ]2MX7  
]^<\a=U  
>".@;  
L),bPfz  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Ei89Ngp\}  
;&MnPFmq  
结果：评估光束参数 wqgKs=y  
Q|G|5X  
X#o;`QM  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 P[jh^!<j  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 TNF  
)*aAkM  
Wl]XOUZ  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 hz5t/
E  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） <Ik5S1<h$H  
)#sN#ZR$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd DH:9iX'  
gwFW+*h  
光束质量优化 ."`||@|  
gZ=$bR  
;

Pvnhy  
 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。 im F,8'  
 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）。 3V<c4'O\W  
yGH')TsjD  
结果：光束质量优化 E CPSE{  
$_gv(&ZT  
7?\r9bD  
 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。 <}F(G-kV6  
{~#d_!(  
$paE6X^  
cG4}daK]d  
 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。） YB(8 T"  
ed#>q;jX  
o5G]|JM_  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd u\km_e
  
>]2^5C;  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 hPUZ{#;n  
|*L/ m0'L  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 qBZ;S3  
C#RueDa.  
4v2JrC;  
 这意味着参数变化是的正态 TJuS)AZ C  
rym*W\AWx  
*=77|Dba  
D3y4e8+Z'  
"WH &BhQYD  
 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。 CS0q#?  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ^c|0?EH  
2L=(-CH9]  
m`jGBSlw_  
4x.I"eW~&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run {_ZbPPh;M"  
o_r{cnu  
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） FV%|*JW[;N  
4+4&}8FH  
WL3J>S_  
T;i+az{N:V  
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。 z]j_,3Hff  
?S.LGc  
总结 zoj w^%W  
k0xm-  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <lWBhrz  
1.模拟 1h`#H:  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 8_3WCbe/  
2.研究 NSQ)lSW,;  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 /}s#   
3.优化 #:
Ukv?  
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\Ux0/  
4.分析 .iST!nh  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 3)XS^WG  
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。 g5 y*-t  
*k0;R[IAV  
参考文献 Wr,pm#gl6  
[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). G ahY+$L,  
s2K8|q=  
进一步阅读 -U@ycx|r  
axv-UdE;  
进一步阅读 H)K.2Q  
 获得入门视频 /q^_ 'Lp  
- 介绍光路图 +Xmza8T9  
- 介绍参数运行 epP_~TU  
 关于案例的文档
,MD>Jx|  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens T=fVD8  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens CDDEWVd  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 0:eK}tC  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair