[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） G'5p/:
 
s^{hdCCl67  
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 \CP)$0j-&o  
_qq> 43  
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78}QaE  
简述案例 *oC],4y~D  
arR9uxP  
系统详情 L"|~,
SVF  
 光源 %MQU&H9[  
- 强象散VIS激光二极管 xpWx6  
 元件 )]/gu\90  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） GESEj%R/b  
- 具有高斯振幅调制的光阑 i:6`Rmz1.  
 探测器 F3XB};  
- 光线可视化（3D显示） hmRnr=2N  
- 波前差探测 ADTx _tE  
- 场分布和相位计算 {{G`0i2KV  
- 光束参数（M2值，发散角） -K 7jigac  
 模拟/设计 ! z^%$;p  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ^usZ&9"@P  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： o=t@83Fh5  
 分析和优化整形光束质量 FUVoKX!#  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 </UUvMf"  
dr|>P*  
系统说明 cmLGMlFT  
)U?Tmh  
0W92Z@_GY  
模拟和设计结果 =6XJr7Ay8u  
oNyVRH ZH  
数值探测器结果 1S&GhJ<wJ  
F;4*,Ap  
NUlp4i~Q  
LW={| 3}  

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总结 )w?DB@Tx  
{XHAQ9'  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S(B$[
)(  
1.模拟 4pvT?s>68  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 y9K U&L2  
2.评估 k<.$7Pl3
U  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~AVn$];{  
3.优化 j20/Q)=h  
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。 /$Qs1*  
4.分析 #.<Uy."z2  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 |WiE`&?xP  
DzfgPY_Py  
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。 `D44I;e^1;  
rq>}] U  
详述案例 /5Od:n  
7L%JCH#F  
系统参数
F9ys.Bc  
?QDHEC62  
案例的内容和目标 PykVXZ7j;  
04K[U9W3  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 JPH! .@  
'n:|D7t  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 jR1o<]
?  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 `fnU p-  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ;u+k!wn  
~.Wlv;  
模拟任务：反射光束整形设置 J!{t/_aw  
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。 |rU?  
; _ziRy  
h23"<  
Bi.,@7|>  
IP LKOT~  
WE{fu{x  
规格：像散激光光束 $ Jz(Lb{  
~+A(zlYr~  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 `rLcJcW  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 H[S}&l\D4  
R)@2={fd}  
':>u*  
5@lVuMIYT  
oe'f?IY  
D-/q-=zd  
规格：柱形抛物面反射镜 ^xyU*A}D  
                         9{GEq@`7  
 有抛物面曲率的圆柱镜 rAn:hR
{  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 YE*%Y["  
 曲率半径等于焦距的两倍 eh39"s  
Hk1[0)  
>\7Mf@c  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） vg-Ah6BC{  
t/wo G9N  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 S8
j!?$`  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） :>|dE%/e$  
 离轴角决定了截切区域 kl~)<,/@  

w;{=
 
规格：参数概述（12° x 46°光束） z/I\hC9i  
e7S
p?>-d  
   o"V+W
 
Ob&m&2
s,  
光束整形装置的光路图
O#do\:(b  
8\X-]Gh\^  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 0H+!v  
 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。 EY`]""~8v  
=h@t#-Z"  
反射光束整形系统的3D视图 i91 =h   
Hl#?#A5  
sXi~cfFaE  
U*:ju+)k  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 7>E>`Nc6  
 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）。  :I{9k~  
4J1_rMfh  
详述案例 9Tg k=  
_-T^YeQ/  
模拟和结果 s&4&\Aq}x#  
A+MG?k>yg  
结果：3D系统光线扫描分析 dBkM~"  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 HU/2P`DGP  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 @__m>8wn  
r;9 V7
C  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd x*sDp3f[*  
Y?qUO2  
使用参数耦合来设置系统 n
)j0h-  
rEMe=>^   
P6I<M}p  
自由参数： VRZqY7j}g  
 反射镜1后y方向的光束半径 HUChg{[  
 反射镜2后的光束半径 z1^3~U$}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） o%,?v 9  
 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。
wmA TV/  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ' <?=!&\D  
9X&=?+f  
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gZ|!'  
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*y*UG  
H_JE)a:+  
自由参数： (5;nA'  
 反射镜1后y方向的光束半径 (hBph+  
 反射镜2后的光束半径 Lq62  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） NM9,AG  
 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。 2q(gWhcj  
}H<Z`3_U%  
01&@8z'E  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 1G6 \}El95  
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#  
|2=@8_am  
结果：使用GFT+进行光束整形 w59q* 2  
I4|"Ztw  
73B[|J*  
Uq @].3nf  
$@vB<(sk  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 XDAP[V  
/i dI-  
%gQUog  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 j sD]v)LB  
o:&8H>(hn]  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Io"3wL)2  
+_kA&Q(t  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： +!W:gA  
y@,PTF  
S?6-I,]h  
j{'_sI{{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Rc3!u^?u  
?PS?_+E\L  
结果：评估光束参数 a0+q^*\d\R  
YR? E z<p  
eEfGH  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 h-|IZ}F7  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ce#Iu#qT  
*>"NUHq  
U?d I  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 +$#<gp"  
 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） NMfHrYHbh  
6K )K%a,9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd #t;]s<  
OjAdY\ ]1  
光束质量优化 d=meh4Y  
\NMqlxp2  
=+UtAf<n  
 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。
+Adk1N8  
 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）。 iqdU?&.;  
',xUU{5?  
结果：光束质量优化 3[y$$qXI  
=.CiKV$E  
&tvtL  
 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。 9r+'DX?>  
>e& L"  
iNfA
n&  
d/jP2uuA  
 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。） S9r?= K  
i}zz!dJTE  
~c<8;,cjYR  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd +p63J  
zCQP9oK!  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 NN2mOJ:-  
4_iA<}>|  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 akNqSZwj  
9unRMvE u  
=cZ24I  
 这意味着参数变化是的正态 nIr`T^c9c  
Y%kOq`uT=n  
bEj}J_#  
d{Jk:@.1  
\/<VJB uV  
 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。 J9!/C#Fm  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 /hu>MZ(\  
HV)aVkr/&  
8U(o@1PT  
tuIZYp8tIN  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run J,)ytw]  
`7w-_o %  
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） ha$1vi}b  
&.?E[db"h  
KcpYHWCa.  
,8Po _[  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 _"B.V(  
GJ
ZjQH-#P  
总结 'nGUm
[vh  
~a[/l  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 (m,H
 5  
1.模拟 -$
o0P'Vx  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。  19]19_-  
2.研究 Pb>/b\&JS  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 3p&T?E%  
3.优化 /P@%{y  
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。 .!KsF h,pK  
4.分析 P9'` 2c  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ;10YG6:  
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。 i(;`x  
YIg43Av  
参考文献 z/xPI)R[  
[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). !2.BLJE>  
;j/$%lC  
进一步阅读 Y2QX<  
^@AyC"K  
进一步阅读 lP`BKc,  
 获得入门视频 ebI2gEu;a  
- 介绍光路图 vuPNru" 2  
- 介绍参数运行 |EX=Rj*  
 关于案例的文档 Zf@B< m  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens =oSd M2  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens /m"/#; ^l  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing N$]er'`  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair