[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0）  K
P@bz  
;9MIapfUd(  
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 qs$w9I  
qV{iUtYt  
/OD@Xl];K  
R$m?aIN  
简述案例 j^5VmG  
|=u }1G?  
系统详情 t) uS7y  
 光源 r91b]m3xL  
- 强象散VIS激光二极管 $Wn!vbL  
 元件 bHRRgR`,  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） IkP; i_|  
- 具有高斯振幅调制的光阑 U[O7}Nsb"  
 探测器 Y3.^a5o  
- 光线可视化（3D显示） h+DK .$  
- 波前差探测 fB=j51Lw  
- 场分布和相位计算 RI2/hrW  
- 光束参数（M2值，发散角） z1m-t#
v:  
 模拟/设计 kInU,/R*  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 TcpaZ 'x  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： XK{KFB-  
 分析和优化整形光束质量 K3^2;j1F Q  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 DQ.;2W  
ja&S^B^@  
系统说明 E$C0\O!7  
/_mU%fl  
"IJ 9vXI  
模拟和设计结果 U>hpYqf_  
PUEEfq!%  
数值探测器结果 S0WKEv@Hn  
#k t+ )>  
+[":W?j  
bL2b^UB~%  
E`b<^l`  
总结 \ZtF,`Z  
RG6U~o1  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 c,Yd#nokC  
1.模拟 {ewo-dva  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 @DuSii#.S  
2.评估 }K|40oO5  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 W3A9uk6  
3.优化 q|QkJr<  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 !"SuE)WM  
4.分析 |W*i'E  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 !Q=xIS  
v5 I}a7  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 -Q" N;&'[&  
]O0:0Z\  
详述案例 -J^t#R^$`  
B qcFbY  
系统参数 Y(R .e7]  
C%Fc%}[  
案例的内容和目标 >?(}F':  
`J-&Y2_/k  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 c;7`]}
fGu  
p* tAwl  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 F1NYpCR  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 DwIX\9  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 PLhlbzcf  
*V?p&/>MT  
模拟任务：反射光束整形设置 8}{W.np_  
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。 6Jd.Eg ~A7  
15CKcM6  
CQ:38l\`gd  
ok(dCAKP  
D}]u9jS1  
D0LoT?$N  
规格：像散激光光束 #9(L/)^  
y28 e=i  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 yR[htD`  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 rixt_}aE  
G }U'?p  
Q[MWzsx  
r"&VG2c0K  
C
!}t6  
Z^O_7I<5E  
规格：柱形抛物面反射镜 Qgxpq{y  
                         r0
,XR  
 有抛物面曲率的圆柱镜 `}S;_g!  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ~;yP{F8?  
 曲率半径等于焦距的两倍 ?C(3TKH  
kn&>4/')  
+\U#:gmw  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） CJe~>4BT  
f]48>LRE8  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ]?lUe5F  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） LGq T$ O|  
 离轴角决定了截切区域 jW;g{5X  
_m*FHi  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 1UkGjw1J  
'J_`
CS  
   pB'{_{8aA  
;}}k*< Z  
光束整形装置的光路图 x};sti R  
+'{d^-( (  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ;VS$xnZ  
 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。 PnZY%+[I  
)8%m|v#W  
反射光束整形系统的3D视图 7f>~P_  
]XEUD1N;I  
11?d,6Jl  
szGGw  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Ogu";p(  
 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）。 vP'#x  
YnlZyw!  
详述案例 sFw;P`  
ET;-'vd  
模拟和结果 /kAbGjp0  
={\9-JJhE  
结果：3D系统光线扫描分析 7V-uQ)*  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 X#Hl<d2  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 <&l@ ):a  
BHt9$$Z|  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +NTC!/  
B^Hhrz!  
使用参数耦合来设置系统 a xz-H`oq4  
mD7kOOMY  
y.gjs<y  
自由参数： 2}rYH;Mx  
 反射镜1后y方向的光束半径 R|[gEavFl  
 反射镜2后的光束半径 )i<Qg.@MX  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） :kvQ3E0  
 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。 UZ!It>  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 kOQ!]-;  
O@a7MzJ  
=g$%jM>35  
e17]{6y  
krRnE7\m  
0E#?H0<OeG  
;)z+dd#3  
自由参数： 5C-XQ
S1  
 反射镜1后y方向的光束半径 _Zus4&'  
 反射镜2后的光束半径 ; jrmr`l=  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） H__'K/nH+  
 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。 VYkUUp  
0qL.Rnt  
c9Q_Qr0'  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ZUS06#t}  
cC9haxW  
\lK `  
结果：使用GFT+进行光束整形 Wm/0Pi  
A}i>ys  
<(l`zLf4p  
V6_~"pRR=  
1V-sibE  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 YcW)D  
f<>CSjQ4c  
NMESGNa)z  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 }O2P>Z?V  
G-'CjiMu  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ;WG
%)^e  
ow;a7  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： p,14'HS%@  
e^UUR-K%
 
`t+;[G>ZE  
.x1.`Y   
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd qyjVB/ko  
G6s3\de#U  
结果：评估光束参数 2\CZ"a#[  
r|y\FL  
XpPcQIM*  
 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>Ru  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 G> sqfYkK  
S";}gw?r6  
n!U1cB{  
 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。 %!R\-Vej  
 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） n>,? V3ly  
[K1z/e
a)V  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd j{@li1W@  
KBA&s  
光束质量优化 uCgJF@  
Fe2t[y:8h  
n{=Ot^ ";  
 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。 W>u{JgY  
 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）。 KK4rVb:-  
IV%Rph>d  
结果：光束质量优化 Ob]J!.  
;8b!T -K  
H%{k.#O  
 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。 8J~-|<Q6  
)GOio+{H  
>|mZu)HIY;  
9[[$5t`8  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） Kp19dp}'b  
EIF  
znAo]F9=J"  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 4ZkaH(a1  
rx@2Dmt6  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 5=1Ml50  
z}Um$'. =  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 GE=PaYz  
D$VRE^k  
Q'YakEv >=  
 这意味着参数变化是的正态 D58RHgY[  
TY?O$d2b3  
fnIF<Zt  
~.z82m  

,:0!+1  
 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。 UK)wV  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 7R
n 4gT  
<@c@`K  
2 ]n4)vv,  
&#OF,_6"m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run AqHGBH0  
(-VH=,Md  
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） VO /b&%  
+jO#?J  
X_)x Fg'k  
D`U,T&@  
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。 [WXcp1p  
s+^1\  
总结 !E,|EdIr  
EJNHZ<  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ($gmN 4  
1.模拟 3ouo4tf$H.  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 V7vojm4O  
2.研究 <
SdOb#2  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 X|L
_}Q7  
3.优化 c?6(mU\x  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 9fCU+s  
4.分析 }4Q3S1|U  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
S_s;foT  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 s !II}'Je  
y^D3}ds  
参考文献 oWggh3eXk  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). BWr!K5w>i  
F5{GMn;j  
进一步阅读 )ri'W <l  
MfA%Xep  
进一步阅读 mA#^Pv*  
 获得入门视频 a;(,$q3M  
- 介绍光路图 iphdJZ/f  
- 介绍参数运行 2]r5e;  
 关于案例的文档 tq*{Hil>P`  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens F |_mCwA  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Ey_mK\'  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing N8!e(YK_  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair .SBN^fq  
Eb8z`@p  
2O2d*Ld>  
QQ：2987619807