[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Ea@0>_U|  
G7 UUx+X  
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 /(BS<A  
I+& T}R  
vTK%8qoZ  
crIF5^3Yby  
简述案例 5?>4I"ne  
JI!1 .]&  
系统详情 caQ1SV^{9  
 光源 "mJo<i}  
- 强象散VIS激光二极管 7He"IJ  
 元件 *U
1*/Q.  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） #g6_)B=S  
- 具有高斯振幅调制的光阑 b;QgL_w  
 探测器 ;I*t5{  
- 光线可视化（3D显示） H>/,Re  
- 波前差探测 bra2xHK@  
- 场分布和相位计算 ">Qxb.Y}  
- 光束参数（M2值，发散角） K`N$nOw  
 模拟/设计 w]gLd  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Wm
d@%K  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 55O}SUs!P  
 分析和优化整形光束质量 .vKgiIC:  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 n8EKTuy  
zRjbEL  
系统说明 js"Yh  
jF;<9-m&  
=r/K#hOR\J  
模拟和设计结果 EN`JzLjP  
G
%~Vb  
数值探测器结果 ]CP5s5  
;*qXjv& K  
Tr;.%/4Q  
RbUir185Y  
 $Z&6  
总结 lJAzG,f  
E~q3o*  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9ls1y=M8J  
1.模拟 %GjG.11V,_  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ;L87 %P(.  
2.评估 ui8$F "I*  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 k7:ISjJ  
3.优化 5Qg*j/z
?  
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。 :6C R~p  
4.分析 6R m dt  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ~+ae68{p  
49/2E@G4.  
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。 SN[yC  
7 HL Uk3  
详述案例 +Rd\*b  
s!0
9cS  
系统参数 'lC=k7@x  
:'
t"kS  
案例的内容和目标 S% ptG$Z  
LfnQcI$kO  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ~Gg19x.#uW  
M9Z9s11{H  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 $ ga,$G  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 *}r6V"pH~  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ;rh=63g  
B 4e}%  
模拟任务：反射光束整形设置 Q Na*Y@i  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 N:^
4OnVR  
 Mv%B#J  
0,LUi*10  
CZv^,O(M?2  
Y^?PHz'Go  
f`J[u!Ja  
规格：像散激光光束 >vf
LlYx  
d D^?%,a  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ]%5gPfv[T  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 v@!r$jZ  
No/D"S#  
kb*b|pWlO  
BI6`@}%7>  
'Ya-;5Y]  
wB*}XJah  
规格：柱形抛物面反射镜 `MMZR=LA  
                         '^t(=02J  
 有抛物面曲率的圆柱镜 t9kqX(!  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 qB=%8$J  
 曲率半径等于焦距的两倍 BG@[m  
g>Kh?(  
v/C*?/ ~  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 1\Vp[^
#Vx  
Bdf]?s[]  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 2W`<P2IA  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Js8d{\0\  
 离轴角决定了截切区域 fxX4 !r  
,HO@bCK  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 5-X(K 'Q  
,
!g%`
@u  
   Ra?0jcSQ$  
W_N!f=HW  
光束整形装置的光路图 '@+a]kCMev  
E#cZM>  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 'xY@I`x  
 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。 c 7uryL  
O(QJiS  
反射光束整形系统的3D视图 WH^rM`9  
${%*O}$  
2r=A'  
+p:@,_  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 p#95Q  
 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>"To  
=-qv[;%&6  
详述案例 /P/S0  
p$cSES>r:  
模拟和结果 wN ![SM/+  
B3^4,'  
结果：3D系统光线扫描分析 <v)Ai;l,  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 "sf]I[a  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :!f1|h  
S?5z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd zF[>K4  
&\0`\#R  
使用参数耦合来设置系统 YrR}55V,  
H[{ch t h  
IYy2EK[s  
自由参数： r$*p  
 反射镜1后y方向的光束半径 *zy0,{bl  
 反射镜2后的光束半径 }>w;(R  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） IdlW[h3`[  
 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。 Y24:D7Q  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ^zv28Wq>  
m(Cn'@i`"0  
ESZ
6<!S  
V$wf;v0d(  
L44-: 3  
]OoqU-q  
;&|ja]r  
自由参数： :_tsS)Q2m  
 反射镜1后y方向的光束半径 1x]U&{do  
 反射镜2后的光束半径 "YGs<)S  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） %/H  
 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。 Y>+\:O  
<3QE3;4  
k[N46=u  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 "6n~,$  
//W<\  
0 )#5_-%  
结果：使用GFT+进行光束整形 2Ni$ (`"  
k@AOE0m  
Hq^sU%  
b:>(U.   
TE0hVw0c  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 )5Kzq6.  
oa+Rr&t'  
W\zg#5fmK  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 GLL,  
U\y];\~H  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 }7vX4{Yn  
`Y/DttjL  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： APuG8 <R,  
vI#\Qe  
^l ~i>:V  
DPi%[CRH  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd CO1D.5  
+is;$1rq  
结果：评估光束参数 o8RagSIo8  
%?_pSH}$!  
1,Uv;s;{  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 R\MM2_I  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 y_38;8ex  
goeWZO  
veAGUE %3  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 g%#" 5Kr  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） Ezm ~SY  
' V;cA$ $  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Ej ip%m  
qn6Y(@<[  
光束质量优化 n!&DLB1z  
~9
p*zC3M  
//\ORJ
d  
 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。 {$HW_\w  
 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）。 $985q@pV0  
9@#Z6[=R,  
结果：光束质量优化 VieC+Kk  
+y>D3I  
1 +O- g  
 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。 Ix^xL+Tm  
Mje6Q  
:z56!qU  
xXE/pIXw  
 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。） ,o]"G[J
k  
mrX3/e  
s@E"EWp0  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd bBc<yaN  
F"#bCnS  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 =M>1;Qr<Z/  
3 ~0Z.!O  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 t;TMD\BU  
p\wE})mu  
0PI
C|  
 这意味着参数变化是的正态 8 qt,sU  
%kS+n_*  
$*V:;
-H  
Q9H~B`\nQ  
k, &*d4  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 Yj|Oy  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 %<CahzYc6  
INOw0E[  
s"#JBw\7  
d>*?C!xE  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Q<3=s6@T  
@tWyc%t  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） bYGK}:T8U  
, \|S BS  
CvKXVhf0$J  
m_\w)  
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。 N@lTn}U  
1O>wXq7q  
总结 \ce (/I   
wWv")dk3i  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "Kx2k>ym  
1.模拟 =T;>$&qs  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 5@ecZ2`)+h  
2.研究 r!N)pt<g  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 kNP.0  
3.优化 ! /;@kXN
 
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。 i_Dv+^&zV  
4.分析 FtXd6)_S  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 p\T9q  
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。