[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） %\^VxM  
8Wba Hw_  
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 ]$~\GE^  
o3W@)|>  
#(7^V y&  
O!se-h5mW8  
简述案例 YJGP8  
F1*xY%Jv^M  
系统详情 U3u j`Oq  
 光源 |BBo  
- 强象散VIS激光二极管 muAgsH$/  
 元件 1R,SA:L$  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ?t)Mt]("  
- 具有高斯振幅调制的光阑 0oQJ}8t  
 探测器 x3:d/>b  
- 光线可视化（3D显示） ~jJF&*)  
- 波前差探测 qh|fq b  
- 场分布和相位计算 `*WzHDv5p  
- 光束参数（M2值，发散角） ]TVc 'G;  
 模拟/设计 #+&"m7 s  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 'i<%kL@  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
m yy*rt  
 分析和优化整形光束质量 4&AGVplgF  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 }Gva=N:  
-e O>d}  
系统说明 <ivq}(%72  
{8 #  
c+{ ar^)*  
模拟和设计结果 3tW}a`z9  
Ji.FG"h+2  
数值探测器结果 4k!>JQor  
<U
Y9<o
 
IdoS6  
[9d\WPLC  
j-d542"  
总结 d*x&Uh[K  
+&r=XJ5:`p  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 @=OX7zq\h-  
1.模拟 :Wihb#TO)  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 v6H!.0  
2.评估 tkQrxa|  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 cv;2zq=T  
3.优化 @"B{k%+  
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。 tr58J%Mu  
4.分析 7)RR
Csn  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 O>>/2V9  
{Y3:Y+2X3*  
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。 Y4+iNdd  
uqVarRi$  
详述案例 Gzp*Vr  
h1y3gl[;TD  
系统参数 LVy`U07CV  
p0D@O_ :5  
案例的内容和目标 ju!V1ky  
W
6
RjQ1  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 9VMk?   
<E:_9#Z0sc  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 _C=01 %/  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Nxt`5kSx=  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 WHqw=!G  
x_9#:_S'  
模拟任务：反射光束整形设置 K+d{R=s^  
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。 vsPIvW!V  
pq%inSY  
-v:3#9uX)  
<?:h(IZe[  
KpIY>k  
|"[;0)dw^  
规格：像散激光光束 (w`_{%T  
R2Lq??XA=  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 1d$wP$  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 efuiFN;  
P~V ^Efz{  
P F);KQ  
IpM"k)HR  
WR u/7$8  
C~^T=IP  
规格：柱形抛物面反射镜 )`S5>[6  
                         (=j/"
Mb  
 有抛物面曲率的圆柱镜 %L$?Mey  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 a p(PI?]X  
 曲率半径等于焦距的两倍 F0"("4h:  
jAovzZ6BL  

ERIF#EY  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） <dAxB$16sT  
f%JM a]yV  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 3HNm`b8G4m  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） :H#D4O8UiH  
 离轴角决定了截切区域 cEn|
Q  
@1qdnU  
规格：参数概述（12° x 46°光束） lanU)+U.  
9{rE7OX*A  
   i2-]Xl  
Galh
_;=  
光束整形装置的光路图 06`caG|]-M  
e;LC\*dG  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ~S<}q6H.  
 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。 Hd
TB[(  
1;!dTh  
反射光束整形系统的3D视图 uc\G)BN  
A<(Fn_&W  
`uqe[u;`6  
4F<was/  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 $7-S\sDr  
 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）。 e&K7n
@  
9JeT1\VvHY  
详述案例
b?2 \j}  
p9!jM\(  
模拟和结果 G7KOJZb+D  
xCyD0^KY  
结果：3D系统光线扫描分析 #Fgybokm  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 {bC(>k|CQ  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 #KuBEHr  
Tm0\Oue0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd F3 g$b,RMH  
z uo:yaO  
使用参数耦合来设置系统 b/tcD r  
iAeq%N1(0  
.
x}xa  
自由参数： ~wcp&D
 
 反射镜1后y方向的光束半径 kX*.BZI}C  
 反射镜2后的光束半径 mi@uX@
#  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） =AF;3  
 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。 WopA7J,  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 
}h|HT  
8M]QDgd.  
!,sQB_09C  
@Y ?p-&  
kLXa1^Lq  
g3!<A*<  
DD6K[\  
自由参数： /N")uuv  
 反射镜1后y方向的光束半径 \_)mWK,h  
 反射镜2后的光束半径 `'9t^
6mk  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 6I|9@~!y[  
 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。 sdKm@p|/|  
c'Q.2^w^  
M=1~BZQ(Z  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 XAB/S8e  
sqj8I"<`  
@mcP-  
结果：使用GFT+进行光束整形 0OnqKgf  
n8q%>.i7  
dO9bxHMnM  
51;Bc[)%  
3g0v,7,Zv  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 nFefDdP  
LRdV_O1e6M  
Ng*O/g`%L  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 cA{,2CYc  
hy3?.  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
\Awqr:A&  
V9;IH<s:  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： z:0
8;}t  
uK[gI6M  
-(E-yCu  
Q:]v4/MT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .|y{1?f_  
& 5'cN  
结果：评估光束参数 <}%gZ:Z6g  
Tq%##  
G.^^zmsM`  
 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。 ~S0T+4$  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 vs*@)'n0}  
.0dx@Sbv  
i>=y3x"  
 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。 yq` ,)  
 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） )2F%^<gZ#  
7[M@;$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd v5L#H=P  
P_Exh]P  
光束质量优化 .zJZ*\2ob  
Oz=!EG|N  
}5u;'>$  
 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。 hNF,sA  
 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）。 n%{oFTLCo  
Gx(%AB~9$  
结果：光束质量优化 KwxJ{$|xH  
wR9gx-bE 4  
3`ze<K((  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 *C(q{|f  
eGI&4JgJ.  
V&d?4i4/Q  
e!4Kl:  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） rU7t~DKS  
^;cJjl'=  
-n6T^vf  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd I!~3xZ  
B_0]$D0 ^  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 S{~j5tQv^q  
inyS4tb  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 u6/;=]0   
S@C"tHD  
_/F}y[B7d  
 这意味着参数变化是的正态 wKy4Ic+RV  
^ANz=`N5,  
ypY7uYO^"  
Xgo`XsA  
7 '7a`-W  
 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。 ''CowI  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 cqb]L
C  
Q8bn|#`  
N<|-b0#Z6  
4,ewp coC%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run p;{w0uld"  
)H1chNI)  
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） rB3b  
liVDBbS_A?  
cP8@'l@!  
76S>xnN  
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。 7`K)7  
L9 H.DNA  
总结 tOw[  
f8L3+u  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 BsN~Z!kd  
1.模拟 %gXNWxv  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 0
"=}d y  
2.研究 r7N%onx  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 7>|p_o`e  
3.优化 p2o66t  
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。 O}"fhMk  
4.分析 XBHv V05mv  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 p:8]jD@}%  
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。 |c!lZo/  
&bS!>_9  
参考文献 eR5+1b  
[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). &E8fd/s=k  
y1hJVYE2  
进一步阅读 74*iF'f?c  
aV?r%'~Z  
进一步阅读 7j%sM&  
 获得入门视频 &8 4Izs/[  
- 介绍光路图 -X#qW"92q  
- 介绍参数运行
Z(fhH..T`  
 关于案例的文档 cOEzS  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens q"pnFK9/L  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens T 9?!.o  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing +l_$}UN  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 9TW  
(3Z~EIZz  
dCM*4B<  
QQ：2987619807