[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） /_~b~3{u  
$$YLAgO4  
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 pGw|T~e%  
pNpj, H*4  
B.f
LgQK0  
PHRc*G{  
简述案例 =y>P>&sI  
Gjuc"JR7  
系统详情 -k\7k2  
 光源 ll;#4~iA  
- 强象散VIS激光二极管 @(.?e<  
 元件 =!NYvwg6;o  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Z5~dU{XsT  
- 具有高斯振幅调制的光阑 #|*;~:fz  
 探测器 u#=Yv|9  
- 光线可视化（3D显示） ~h-G  
- 波前差探测 K8*QS_*  
- 场分布和相位计算 6 .DJRY  
- 光束参数（M2值，发散角） .FK'TG  
 模拟/设计 M%4o0k]E,s  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 /1++ 8=  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： G\h8j*o  
 分析和优化整形光束质量 'T[=Uuj"  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >j?5MIm03  
THQW8 V  
系统说明 SqY;2:  
sw*k(i  
j-$aa;  
模拟和设计结果 ZTd_EY0q  
q p|T,D%  
数值探测器结果 H^"BK
-`hs  
h./cs'&  
GSV,  
eG# (9  
Sw#Ez-X  
总结 &nn!{S^  
_5M!ec  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ;3\Fb3d  
1.模拟 YkPz ~;  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 S$%/9^\jF  
2.评估 u]E%R&  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 G%ycAm  
3.优化 =pWpHbB.  
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。 `]]gD EPG{  
4.分析 P,h@F+OZN  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 3]'=s>UO>^  
?>q=Nf^Q.  
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。 8!>uC&bE8  
2bX!-h  
详述案例 mUr@w*kq|p  
eHv~?b5l  
系统参数 bXq,iX  
K *vNv4  
案例的内容和目标 k;zbq  
w,8 M  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 i40r}?-  
hv*n";V   
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 oBqP^uT>a|  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 9Lz)SYd  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 IvIBf2D;Q  
/7S]%UY  
模拟任务：反射光束整形设置 ?RWd"JTGue  
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。 k`)LO`))  
AG}' W  
\07Vh6cj  
r\],5x'xSu  
(/"T=`3t  
K1:F{*  
规格：像散激光光束 idO3/>R [  
08k1 w,6W  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 e7#=F6  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 m OmT]X  
}r^MXv~(  
8"8{Nf-"  
4Hzbb#  
A9l^S|r  
73}k[e7e  
规格：柱形抛物面反射镜 3pDZ}{ZZU  
                         1b|< 
 
 有抛物面曲率的圆柱镜 k})9(Sy~  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 DvOg|XUU0  
 曲率半径等于焦距的两倍 G#@<bg3  
6w1:3~a  
dJ24J+9}]j  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） )1x333.[c  
LiV]!*9$KG  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 _%1.D0<~-E  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） MeplM$9  
 离轴角决定了截切区域 RuRJjcnY  
6@F Z,e  
规格：参数概述（12° x 46°光束） fs)O7x-B(  
n<hwstk  
   !h4So4p  
0]HK(,/h  
光束整形装置的光路图 Yhsb$wu  

,MvvW{EY  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 hcf>J6ZLT  
 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。 W}=2?vHV=  
Sr+1.77}  
反射光束整形系统的3D视图 "V:UQ<a\  
\uPT-M*  
rW6w1  
6w]]KA  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 w^p2XlQ<  
 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）。 =G72`]#-  
f Fz8m  
详述案例 jgMWjM6.  
~~fL`"  
模拟和结果 ;zJ_apZ:{  
<s{/ka3  
结果：3D系统光线扫描分析 dkn_`j\v  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ^|\?vA  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 x NC>m&T  
v0xi(Wu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd :- 5Mn3*  
4OIN@n*4  
使用参数耦合来设置系统 oz0-'_  
< 1r.p<s  
mcR!P~"i  
自由参数： @v'<~9vG  
 反射镜1后y方向的光束半径 LpiLk| 2i  
 反射镜2后的光束半径 0ib 6}L%  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） M1>a,va8Zq  
 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。 (J;?eeP  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =1JRu[&]8  
6x7=0}'  
'qD9kJ`  
UM]wDFn'E  
g ` {0I[  
:Oj+Tc9A  
GkO6r'MVE  
自由参数： =0-qBodbl  
 反射镜1后y方向的光束半径 *w6N&  
 反射镜2后的光束半径 ZN1p>+oY!  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 8]L.E  
 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。 <wA_2S Y  
4NzHzn  
lt]U?VZ   
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 !6%mt}h  
LH8?0N[  
%)e+
w+  
结果：使用GFT+进行光束整形 th<]L<BP/  
)}aF=%  
-,
tYfQ;:  
:tgTYIF  
CG7LF  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 i_@RWka<  
GwV FD%  
K|/a]I":  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ;n@C(hG  
mc=*wr$  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 525>=h  
vB{b/xmah  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： )-{~7@yqZ  
g}-Z]2(c#  
Z^l!y5s/H  
m [g}vwS  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd a3 x~B=E  
Zy%Z]dF  
结果：评估光束参数 6~S0t1/t?  
ni> ;8O]=  
Mvv=)?:  
 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。 w!RH*S  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 S+G)&<a^  
}v,THj  
3Y-v1.^j  
 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。 <^Tj}5)n  
 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） O| ]Ped9  
o}A #-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd A.O~'')X  
P{eR
DQ=  
光束质量优化 uN 62>  
!@{[I:5  
GuWBl$|+b  
 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。 dA/o4co  
 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）。 ssITe.,ny  
&o@5%Rz2/  
结果：光束质量优化 x 5Dt5Yp"o  
}27Vh0v  
SsX05>  
 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。 J.2]km  
lO> 7`2x=F  
*u'`XRJU/  
#0^3Wm`X;  
 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。） $Wzv$4
;  
Ko|xEz=  
*9Js:z7I  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 1r& ?J.z25  
)^S^s>3  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 D.R|HqZ  
TL{pc=eBo  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 X/,1]  
*2 $m>N  
soQzIx  
 这意味着参数变化是的正态 IOZ|85u=  
OGi4m |  
bA^:p3  
%802H%+  
D3AtYt  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 4i\aW:_'i  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 h8= MVh(I  
_B7?C:8Q-  
?CW^*So  
_E<O+leWf  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run _KhEwd  
VBsFT2XiL  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） [xs)u3b  
(:bCOEZ  
(=tF2YBV  
\ [^) WQ  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 k#:@fH4{PA  
!_z<W~t"  
总结 a2=uM}Hsp  
Or#+E2%1E  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 . I&)MZ>n  
1.模拟 "K$Wh1<7  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 [cLU
*:  
2.研究 :*&9TNUE@  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 bR8 HGH28  
3.优化 PxVI{:Uz  
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。 3{I=#>;  
4.分析 x [{q&N!"`  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 mLk6!&zN  
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。 lF}$`6  
Aiks>Cyi23  
参考文献 *CPB5s  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). oA3W {  
%L\{kUam  
进一步阅读 o S:vTr+$  
6|9g4@Hy  
进一步阅读 peTO-x^a-  
 获得入门视频 jQ_|z@OV  
- 介绍光路图 ;/)Mcx]n  
- 介绍参数运行 K7[AiU_I  
 关于案例的文档 il>x!)?o  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens TA@tRGP>  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 32bkouq  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing B )1<`nJA  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair =@1R ozt  
LE0J
;|1  
2*-ENW2  
QQ：2987619807