[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） \COoU("  
G?~Yw'R^8  
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 pIrL7Pb0  
7^.g\Kt?  
c<q33dZ!*  
,,j>2Ts  
简述案例 $5ea[nc  
.+8#&Uy  
系统详情 !RLXB$@`  
 光源 r;(^]Soz  
- 强象散VIS激光二极管 _o?aO
C  
 元件 ulg=,+%r  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 0%rE*h9+  
- 具有高斯振幅调制的光阑 :zIB3nT^  
 探测器 ]GHw~s?  
- 光线可视化（3D显示） DcRoW  
- 波前差探测 oKkDG|IE  
- 场分布和相位计算 \ D>!&  
- 光束参数（M2值，发散角） |'}r-}  
 模拟/设计 mm!JNb9(  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 p+nB@fN/  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： =mwAbh)[7n  
 分析和优化整形光束质量 P_Gu~B
!Y  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 $WW7,  
B&!>& Rbx  
系统说明 {P?p*2J'  
[ x.]  
X+\=dhn69  
模拟和设计结果 M_$;"NS+}  
hE,-CIRg  
数值探测器结果 LDo~  
g_Y$5ft`  
(L1O;~$  
!8 l&%  

B.Z5+MgM  
总结 Y)S f;  
?$\sMkn  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
;;^?vS  
1.模拟 ygV-Fv>PQ  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 "5sUE!)f  
2.评估 N4yQ,tG>aa  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 |M?VmG/6  
3.优化 apxq] ! `  
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。 {oo(HD;5  
4.分析 68qCY  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 KAy uv  

,/p.!+  
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。 d$MewDWUN  
M}" KAa  
详述案例 WR*<|  
DQN"85AIZ  
系统参数 (H|^Ow5  
n5#9o},oK  
案例的内容和目标 wD pL9q  
tD,~i"0;  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 unN*L  
]MMXpj,9h  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 :WSszak  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 y8di-d3_  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 gln X C  
i[e-dT:*R  
模拟任务：反射光束整形设置 3SF J8  
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。 bFIv}c+;  
gEq";B%?  
_#E@&z".L  
bXWodOSN  
wqQrby<  
hy
a $Vp  
规格：像散激光光束 G'_5UP!  
kgFx  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 v kW2&  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 N!af1zj  
l
\=He  
&,=t2_n  
o2riy'~  
JZrZDW>M  
d a.6Z!a  
规格：柱形抛物面反射镜 } qr ,  
                         rx(z::  
 有抛物面曲率的圆柱镜 3)~z~p7  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 <K~mg<ff$  
 曲率半径等于焦距的两倍 u*!/J R  
1d~cR  
>Q# !.lH$W  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） n0@
\x=9  
o
IY@xuj  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [/eRc  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） *| YR8f  
 离轴角决定了截切区域 @{^6_n+gT%  
EAnw:yUV(  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ?pp|~A)b  
kF"G {5  
   P*8DM3':  
F,$ypGr  
光束整形装置的光路图 9y&&6r<I  
,O
aPrAt-  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 "+ 8Y{T  
 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。 -MH~1Tw6Z  
08 aZU  
反射光束整形系统的3D视图 ' +[fJ>Le  
J*'#! xIa  
YumHECej  
g:>Mooxzi  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 7<3eB)S  
 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）。 |R$/oq  
o;Ma)/P  
详述案例 N2S7=`5/T  
q6 Rr?  
模拟和结果 =L?(mNHT  
Snf1vH  
结果：3D系统光线扫描分析 aY
@st]p  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 +zLh<q0  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 N|L Ey  
OQm-BL  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd h\qM5Qx+Q  
 MfNguh  
使用参数耦合来设置系统 !9JK95;  
-&\?Q_6  
dKwY\)\  
自由参数： _;].  
 反射镜1后y方向的光束半径 Yy:Q/zwo  
 反射镜2后的光束半径 %?[H=v(b  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） x_TtS|  
 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。 L[FNr&  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 i=G.{.  
8 m T..23  
Kn<z<>vO  
;\Vi~2!8  
d;10[8:5=  
,| EaW& 2  
#=B~} _  
自由参数： zf>r@>S!L  
 反射镜1后y方向的光束半径 zS##YR  
 反射镜2后的光束半径 OAiip,  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） =8F]cW'1`  
 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。 K6Gri>Um  
_U`_;=(  
oAgO3x   
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 M4:}`p=  
p;VHg  
|P"p/iY  
结果：使用GFT+进行光束整形 <U ?_-0  
J0vCi}L  
ua]>0\D  
b8@gv OB  
c_xo6+:l  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 }.UE<>OX  
aI6fPQe  
T]%:+_,  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 mzl %h[9iI  
aT %A<'O!  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 StP7t  
_bO4s#yI  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： $0MP*TFWa  
? }2]G'7?  
D`bH_1X  
5)MVkJ=R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd P7Ws$7x  
^sNj[%I R  
结果：评估光束参数 9aE!! (E  
^=nJ,-(h_  
6-@ X  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ;{e;6Hq  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 , LP |M:  
D#T1~r4  
 De>'  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 >~kSe=Hsb4  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） D4x~Vk%H  
xsq+RBJi  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd os]P6TFFX?  
Rmrv@.dr!  
光束质量优化 Olg@ Ri  
{ L(Q|bB  
J0e~s  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 ,rB"ag !  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 M8 E8r  
"`Q.z~  
结果：光束质量优化 rH9wRY(  
S1<mO-  
AiT&:'<UT  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 pm-SDp>s  
a_UVb'z  
)vFJx[a<n`  
e>Vr#a4  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ==[a7|q  
2\xv Yf-  
+6=2B0$ r  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Gu-*@C:^&  
LV'@JFT-  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 LCrE1Q%VP  
ydCVG,"  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 asDq(J`sQ  
K +oFu%  
*uAsKU  
 这意味着参数变化是的正态 BTXS+mvl  
eGZX6Q7m  
Md9b_&'  
&95iGL28Q  
qHGXs@*M&  
 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。 P&@:''  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 $td=h)S^`  
[Yx)`e  
e>-a\g  
D@V1}/$UoN  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run =#@eD
m%  
"#H@d+u  
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） |fMjg'%{}  
~RV>V*l  
m@hmu}qz-  
&C eG4_Mi  
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。 
a D*  
=qY!<DB[L  
总结 !c`KzqP  
WxE4r  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 SMr ]Gf.  
1.模拟 289@O-  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 M <oy  
2.研究 #On EQ:  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 y$VYWcFE  
3.优化 I$K?,   
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。
5cbtMNP  
4.分析 ^`Tns6u>  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ?UC3ES  
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。 IL?mt2IQ>  
3siWq9.  
参考文献 X|'EyZ  
[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). ,6,sz]3-  
Y}_J@&:  
进一步阅读 C WJGr:}&  
j rX.e  
进一步阅读 BlF]-dF\  
 获得入门视频 [|ghq  
- 介绍光路图 {{b&l!  
- 介绍参数运行 0n25{N  
 关于案例的文档
 (f DA  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens MTZbRi6z  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens yUb$EMo\  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing xtef18i>  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair