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infotek 2020-11-17 10:01

反射光束整形系统

光束传输系统(BDS.0005 v1.0) y.6Yl**l  
1UwpLd  
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 g{U?Y"  
M,R**z  
{Rv0@)P$  
A4mnm6Tf  
简述案例
OngUZMgdb  
q qFN4AO  
系统详情 V-N`R-FSr  
 光源 B']}n`g  
- 强象散VIS激光二极管 3yXSv1  
 元件 DQ{"6-  
- 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) i\yp(tE%^  
- 具有高斯振幅调制的光阑 TEEt]R-y  
 探测器 H2iC? cSR  
- 光线可视化(3D显示) U~l.%mui  
- 波前差探测 C U 8s*  
- 场分布和相位计算 _C&XwC Im  
- 光束参数(M2值,发散角) Tz<@k  
 模拟/设计 *_,: &Ur  
- 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 P6 ~& ,a  
- 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): 8_h:_7e  
 分析和优化整形光束质量 0V!@*Z  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 "NOll:5"(  
f$I$A(0P  
系统说明 F./$nwb  
<3WaFi u  
tg#d.(  
模拟和设计结果 e{k)]]J  
K[s!3.u  
$:!L38[7$  
场(强度)分布                                   优化后
数值探测器结果 %&\DCAFk  
j@778fvM\t  
gg+!e#-X  
r(i!".Z  
d:GAa   
总结 t}m"rMbt  
_fmOTz G  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 me`|i-   
1.模拟 =Dc9|WuHN  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 =+>^:3cCQ  
2.评估 1_RN*M +#  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 hutdw>  
3.优化 %YV3-W8S0  
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。 nZP%Z=p7  
4.分析 <v+M~"%V  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 daN#6e4Z+;  
whb,2=gIE  
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。 <cNg_ZZ;8  
+~l`rJ  
详述案例 a0*qK)gH  
~9h/{$  
系统参数 yIG*  
D4;6}gRC  
案例的内容和目标 5nh:S0M6V  
OdHl)"#  
在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 wfY]J0l  
j`LvS  
u .R   
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 /aX#j`PrH  
 之后,研究并优化整形光束的质量。 u(bPdf@kz  
 另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 <rAWu\d;  
YdiXj |k+  
模拟任务:反射光束整形设置 0{zA6Xu  
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。 X0+M|8:   
d`ESe'j:  
` 8OA:4).  
01AzM)U3"m  
lgei<\6~n5  
a]nyZdt`  
规格:像散激光光束 M-+pYv#&P  
;y%C\YB#  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 x39n7+j4  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 -Ka0B={Z  
u[yUUYe  
p&<X&D   
6z>Zm1h  
.X(*mmH  
o])2_e5  
规格:柱形抛物面反射镜
7\p<k/TS  
                         @o6^"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 7.DAwx.HYK  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 3t^r;b  
 曲率半径等于焦距的两倍 a eo/4  
({l!'>?  
T.R(  
规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) Tx!c }  
'@Q aeFm  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 8 ?+t+m[  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) +w'{I`QIL0  
 离轴角决定了截切区域 DGllJ_/Z  
]&kzIxh  
  
规格:参数概述(12° x 46°光束) M.QXwIT  
]/C1pG*o  
   h=Xr J  
U3zwC5}BN  
光束整形装置的光路图 $xU5vCwAo  
 )$ +5imi  
i'}Z>g5D  
 由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 8LouCv(>  
 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。 T-L; iH~0  
?[K \X  
反射光束整形系统的3D视图 q>X%MN y  
}\oy?_8~  
V/jEMJNks  
K[( h2&  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 3#@ETt0X(  
 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)。 zXHCP.Rmg  
D{!NTr  
详述案例 @'yD(ZMAz  
b-x,`s  
模拟和结果 BEv>?T 0  
l'2a?1/q  
结果:3D系统光线扫描分析 YLfZ;W|6u  
 首先,应用光线追迹研究光通过光学系统。 e2v[ma-  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 7TC=$y ,  
}FTyRHD|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd oKJj?%dHK9  
^BruRgc+  
使用参数耦合来设置系统 U_UX *  
5r:SBt|/  
aiKZ$KLC  
自由参数: Rj|8l K;,  
 反射镜1后y方向的光束半径 @ qfVt  
 反射镜2后的光束半径 %-6I  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ZMHb  
 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。 s C9j73 vf  
 对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 ,\|W,N}~  
l(T CF  
CjtXU=}A  
pOCLyM9c  
L{)e1p]q  
>HUU`= SC  
A&2)iQ  
自由参数: z~/z>_y$nv  
 反射镜1后y方向的光束半径 \V|\u=@H  
 反射镜2后的光束半径 %s;#epP$  
 视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 8gv \`  
 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。 E0<9NF Qr7  
-|MeC  
LsnM5GU7  
 如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 HXTBxh  
99@uU[&IJ  
wjF/c  
结果:使用GFT+进行光束整形  #cqia0.H  
d7y`AS@q6  
a{7>7%[  
%&+j(?9  
#ra~Yb-F  
 现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。  eU"!X9  
:h tOz.  
!_VKJZuH  
 由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 a a=GW%  
&+\J "V8  
 不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 YK/?~p9:  
JpEE'#r|  
 产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: OAMsqeWYA  
nk,X6o9%  
P {x`eD0  
/R&!92I0*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /vi>@a  
aU,Zjm7fp  
结果:评估光束参数 K14e"w%6rs  
%nQii? 1`i  
I @TR|  
 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。 2r2qZ#I}  
 在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 ab!,)^  
G[1:<Vg8  
6fhH)]0  
 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。 V,<3uQD9a  
 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) WG8}}`F|  
P08=?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd "d60IM#N?  
=EI>@Y"  
光束质量优化 $<.\,wW*'w  
:?%$={m  
=m.Lw  
 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。 rmS.$h@7 m  
 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)。
oa(R,{_*q  
A*jU&3#  
结果:光束质量优化 {<{ O!  
CM+Nm(|\,  
_FXvJ}~m  
 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。 ;uj&j1  
.}n%gc~A  
F.2<G.9  
_KBN  
 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。) 4}@J]_]Z  
"c8 -xG  
=e2|:Ba!  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd '\8gY((7   
h+)XLs  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 R57>z`;  
eg Ml(~D  
 对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 C7#ji"t  
r(;sX  
f%fD>a  
 这意味着参数变化是的正态 lXH?*  
?.t naE  
e 4-  
P_S^)Yo  
HBHDu;u  
 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。 $+CKy>  
这意味着,波前对对齐误差很敏感。 %M8 m 8 )  
M0Y#=u.  
>yk@t&j,  
86pujXjc'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run d:C|laZHn  
O@*^2, 6  
第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) RCM;k;@8V  
2d),*Cvf  
T1,Nb>gBq^  
P2la/jN  
由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 h9<*+T  
SU>2MT^  
总结 7i- G5%w7  
Kvx~2ZMx6  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 []^fb,5a  
1.模拟 }7?n\I+n"  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 \ZNUt$\  
2.研究 @">^2  
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:f"Zx  
3.优化 9)P-<  
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。 e_U1}{=t  
4.分析 i7rO 5<  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 l9Xz,H   
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。 R( 2,1f=d  
vndD#/lXq  
参考文献 py \KY 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). h{xq  
:Vdo.uUa  
进一步阅读 t UOqF  
N{b ;kiZq  
进一步阅读 =:neGqd\_E  
 获得入门视频 .VD:FFkW  
- 介绍光路图 %?2:1o  
- 介绍参数运行 E4}MU}C#[  
 关于案例的文档 `^d[$IbDW  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens {3)^$F=T  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens JWB3;,S  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing -_`dA^  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair oGIh:n7 q+  
IA6,P>}N  
62s0$vw  
QQ:2987619807
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