[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） uU&,KEH  
m-{t%[Y  
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 s|/m}n  
z0XH`H|~  
KK}?x6wV0,  
H,/|pP.  
简述案例 "K.XoG4|  
i&|fGX?-I  
系统详情 3 #fOrNU2  
 光源 6##}zfl  
- 强象散VIS激光二极管 I=N;F6  
 元件 XxN=vL&m  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） $~#N1 
 
- 具有高斯振幅调制的光阑 M7$ h  
 探测器 ;g-L2(T05;  
- 光线可视化（3D显示） me-:A:si  
- 波前差探测 .d\<}\zZ7J  
- 场分布和相位计算 .GJl@==~1  
- 光束参数（M2值，发散角） r*-e~  
 模拟/设计 [G(}`u8w"  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 w"-'  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： c&A;0**K,  
 分析和优化整形光束质量 #g ;][  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 8 *Fr=+KN  
W{0gtT0  
系统说明 ?DN4j!/$  
P)7_RE*gY  
GCw<jHw  
模拟和设计结果 "E? 8.`T  
IEi E6z]L(  
数值探测器结果 iQrT
Ep  
c*O{?b  
>JNK06T  
%s]l^RZ  
vV2px  
总结 /+FZDRf!r  
r#Pkhut  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ##%R|P3  
1.模拟 &9Vm3X  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 o_2mSD
!  
2.评估 =xO q-M  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Tk9/1C{8  
3.优化 \u|8MEB  
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。 8QFn/&Ql$B  
4.分析 9fWr{fx  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ELx?ph-9  
9!XW):  
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。 ^':Az6Z  
MoKGnb  
详述案例 ` ,B&oV>  
$EHnlaG8r  
系统参数 NNWbbU3wjh  
8}Pd- .se  
案例的内容和目标 |+?ABPk"  
/]/3)@wT  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 !fFmQ\|)4S  
+6vm4(3?  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 G\ twx ;  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ;pU#3e+P8  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 fo"dX4%}  
)^&,[Q=i  
模拟任务：反射光束整形设置 )N{Qpbh  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 l8n}&zX  
st;.Po[h  
%4Nq T  
!_+LmBd G  
nwd 02tu  
I,{9vew  
规格：像散激光光束 NT~L=xsY  
F,^<  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 :#!m(s`  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5S PGv}if  
{7`eR2#Wq  
&A=q_  
Jo1=C.V`Y  
Q+ ;6\.#r  
#]G$o?@Y=^  
规格：柱形抛物面反射镜 T-=sC=sS,  
                         !<"H73?fl  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ArBgg[i  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ~+VIELU<%  
 曲率半径等于焦距的两倍
 D7%`hU  
W,zlR5+Jk  
xbex6i"ZE  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） L+@RK6
dq  
$CaF"5}?Ke  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 }U$Yiv  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） `0+zF-  
 离轴角决定了截切区域 zosJ=$L  
=K#D^c~  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 6Lw34R  
EEQW$W1@  
   Pms"YhyZ7  
H*_:IfI!  
光束整形装置的光路图 wK@k}d  
XW6>;:4k  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 clQN@1] M  
 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。 >
^%]F[Wo  
EfY|S3Av  
反射光束整形系统的3D视图 8W?/Sg`  
h?2qX  
Q4

Mp[  
(3C6'Wt  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 8D eRs#  
 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）。 ]zHUF!a*  
))}w;w  
详述案例 f>
nj9a5  
bit&H  
模拟和结果 |`9POl=  
Ip]-OVg  
结果：3D系统光线扫描分析 pR2QS
 
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ml7]sN(  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ,Z*?"
d  
<!^wGN$f  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd vj<HthC.k  
i'|rx2]e  
使用参数耦合来设置系统 <Yfk7Un  
I9Af\ k|^  
;X6FhQ;{*0  
自由参数： xd\k;nq  
 反射镜1后y方向的光束半径 JB(~O`  
 反射镜2后的光束半径 BY"<90kBL  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Px&*&^Gf[b  
 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。 F!jYkDY  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 YC4S,fY`  
%..{c#V  
#/t^?$8\\  
#(-V^T  

w
QJY,|.  
SU9qF73Y  
/10 I}3D  
自由参数： xM}lX(V!w  
 反射镜1后y方向的光束半径 @x?7J@:  
 反射镜2后的光束半径 j_c0oclSz  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） q:@$$}FjL  
 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。 W&dYH 4O  
% \Nfj)9  
E]V:@/(M'  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 7H~StdL/>  
;=>4 '$8  
o%X@Bz  
结果：使用GFT+进行光束整形 d-nqV5  
ykc$B5*  
Tq[=&J  
K4NB#
 
xTNWT_d  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 `!Ei H<H}  
<&E3QeK  
=qiX0JT  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 &(3kwdI  
FglCqO}  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ~.7r  
`G
> 6  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： vUh.ev0  
H~JPsS;  
YFgQ!\&59  
VXlTA>a }  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd e8O[xM  
vk:@rOpl  
结果：评估光束参数 ~Q%C>  
'aMT^w4if)  

o\u3
1,  
 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。 q@1!v  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 'eg?W_zu  
J&4LyIpQ  
94Mh/A9k  
 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。 bv,_7UOG  
 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） i2`i5&*  
L9[? qFp  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd z 3)pvX5  
C^I
h"S  
光束质量优化 ](c[D9I!8  
gK7j~.bb"  
@q2If{Tk  
 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。 Zo  
 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）。 2ijw g~_@  
(wLzkV/6  
结果：光束质量优化 (r,tU(  
c-8Pc]+g  
Jx[Z[RO2  
 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。  4KF 1vw  
E8#r<=(m  
Q?rb(u(  
j.OPDe{LU  
 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。） %toxZ}OP  
HT7V} UiaO  
kr2
V  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd j&)"a,f  
)TV4OT#  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 )? WiO}"  
0kP,Z
j<  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 R4=n">>Q  
*fVs|  
J@'}lG  
 这意味着参数变化是的正态  13(JW  
h7mJXS)t|  
f;M7y:A8q,  
1!<k-vt  
Qk?;nF  
 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。 +FiM?,G  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 O@St^o*A}  
b6BeOR*ps  
]l.y/pRP5[  
o(5Xj$Z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run I8 Ai_^P  
J8w#J  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） Z'iXuI49  
Q.:SIBP  
hKP!;R  
.z7%74p  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 IKSe X  
ImQ?<g8$  
总结 En%PIkxeR  
bf]W_I]B  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @mM'V5
_#  
1.模拟 #:"F-3A0  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 9qxB/5d_  
2.研究 2OFrv=F  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 )+
T\LU  
3.优化 R /J@XP  
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。 T^YdAQeE  
4.分析 ]&%_Fpx  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 h;105$E1  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 '&4W@lvyz  
=9@{U2 =l  
参考文献 1?s]nU  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). d>@&[C!28  
vL~nJv  
进一步阅读 Cw"Y=`  
7,U^v}$  
进一步阅读 j8kax/*[  
 获得入门视频 6rlafISvO  
- 介绍光路图 ?h)Z ;,}  
- 介绍参数运行 I_66q7U"0  
 关于案例的文档 Zhb)n
 
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens W.b?MPy]  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens "bZ{W(h  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u2crL5^z2)  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair hd*bPj;  
RL0,QC)e#@  
RB7?T5G  
QQ：2987619807