[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） X/8CvY#n  
`o;E  
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 \N[Z58R !z  
bJ$6[H-:  
C1V@\mRi  
>3v j<v}m  
简述案例 [nx OGa2  
"Q>gQKgL  
系统详情 )Td;2  
 光源 &m8#^]*  
- 强象散VIS激光二极管 #2XX[d%  
 元件 YoT<]'  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） )$.::[pNA  
- 具有高斯振幅调制的光阑 lhN2xg5x  
 探测器 ^E)*i#."4  
- 光线可视化（3D显示） - s}
 
- 波前差探测 ^ |xSU_wa  
- 场分布和相位计算 19r4J(pV  
- 光束参数（M2值，发散角） 5\?\|*WT  
 模拟/设计 u@"nVHgMJ  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ;g:!WXd  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ^~iFG+g5  
 分析和优化整形光束质量 \Y4>_Mk  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 3\!DsPgW  
n[mVwQ(%  
系统说明 '#;%=+=;  
NQFMExg,  
_~{Nco7T  
模拟和设计结果 +J`HI1  
>Z\{P8@k
0  
数值探测器结果 ,"@Tm01os  
8BHtN  
hJ>Kfm  
[b=l'e/  
;`{PA !>  
总结 I|`/#BYbW  
nQ$4W  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 B*zR/?U^  
1.模拟 {D6E@a  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 vLc7RL  
2.评估 BeNH"Y:E  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 aT]G&bR?  
3.优化 y,i ~w |4  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 @jKiE%OP  
4.分析 YV6@SXy  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。  L$Uy  
&V$qIvN$  
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。 _4#8o\  
Qh0tU<jG  
详述案例 |SO?UIWp  
N`G* h^YQ  
系统参数 &8##)tS(y  
pZYcCc>6&  
案例的内容和目标 tiTJ.uz6  
M<AjtDF%  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 j/oM^IY  
7M|!
N_ $  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 *tWZ.I<<  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 cJ}J4?  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 i
r72fSe  
pBd_BaN  
模拟任务：反射光束整形设置 'V*ixK8R0  
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。 C9,|G7~*q  
c Nhy.Z~D  
M_:_(y>l  
4P>[]~S  
z ?3G`  
MR) *Xh  
规格：像散激光光束 FnoE\2}9  
jo7`DDb  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 @
1`!}.Tk  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 0TDcQ  

4(h19-V  
B8f BX!u/  
d(=*@epjR  
#:~MtV  
:RxWHh3O  
规格：柱形抛物面反射镜 jHU5>Gt-}  
                         N=JZtf/i  
 有抛物面曲率的圆柱镜 [SJ)4e|)  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 !XJvhsKXy  
 曲率半径等于焦距的两倍 CTNeh%K;  
RS8tE(  
a/k0(  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） xw>\6VNt  
@hb K  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 8zOoVO  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ||}k99y +  
 离轴角决定了截切区域 :EkhF6B/  
o\#C
#NiT  
规格：参数概述（12° x 46°光束） +9tm9<
F8  
V5.=08L  
   r Ljb'\<*  
&|d6  
光束整形装置的光路图 bh[`uRC}  
F*0rpQ,*  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 e"
){B  
 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。 /OX;3" +1  
$4*wK@xu  
反射光束整形系统的3D视图 K[.*8  
JKXb$  
&f;<[_QI=  
,4OH9-Q1  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Xf"B\%,(`  
 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）。 ~ ~"qT  
vi4lmkyh^  
详述案例 A#&,S4Wi|  
S260h,(,  
模拟和结果 5Nt40)E}sN  
68!W~%?pR  
结果：3D系统光线扫描分析 .8v[ss6:  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ?k}"g$JFn  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 S5,y!K]C~  
%mO.ur>21  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd =!~6RwwwY  
C{5bG=Sg~  
使用参数耦合来设置系统 kdam]L:9  
w]%|^:  
mF6 U{=  
自由参数： <Rno;  
 反射镜1后y方向的光束半径 q_R^Q>ZIe  
 反射镜2后的光束半径 (L2:|1P)  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /`2t$71)  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ` 465 H  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 T2%{pcdV/  
(Cc!Iw'0M  
(H_YYZ3ZX  
gQ0W>\xz  
z0v|%&IK  
{'^!S"9x  
uQ_s$@b
rI  
自由参数： p bT sn  
 反射镜1后y方向的光束半径 egd%,`  
 反射镜2后的光束半径 M?nYplC  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） e*Y>+*2y  
 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。 G|LJOq7QB  
T+q3]&  
1pDL()t  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 v=Y) A?  
Xh[02iL-  
HXg#iP^tv  
结果：使用GFT+进行光束整形 "lT>V)NB'  
Ibbpy++d[  
jW!x!8=  
!L({i')  
|#Q4e51H  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Rr!oT?6J?  
4b}94e@(N  
$yi[wwf4  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 1%^d<%,]  
5{.g~3"  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 >~vZ+YO  
4_i6qu(4  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： zNo(|;19  
]CnqPLqL  
X *fle  
,RYahu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c1 ~=   
Bt?.8H6Y  
结果：评估光束参数 g:&V9~FR  
/yd<+on^  
l(fStpP  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 l`' lqnhv  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 h]w5N2$}?  
;'fn{j6C  
% njcWVP;  
 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。 F VVpyB|  
 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） uA1DTr?z  
K]0K/~>8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd re%MT@L#  
WokQ X"  
光束质量优化 a+_F^   
[h=[@ji
B  
F# a)"$j;  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 2{gd4Kt6.  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 g218%i  
6j{O/  
结果：光束质量优化 }aJ
K^>^>A  
OBBEsD/bc  
SaA9)s  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 M)T
{6w  
OQC.p,SO  
P?Fm<s:  
aN}l&4d  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） UZqQ|3  
l*0`{R  
J@4,@+X  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd HX
g4 T  
,VTX7
vaH  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 :87HXz6]jS  
#]_S)_Z-  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 H5'Le{  
pSml+A:  
c~=yD:$  
 这意味着参数变化是的正态 rcyq+wY #  
3~uWrZ.u  
R2%>y5dD  
4-dV%DgC  
Hswgv$n  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 d mj T$a|  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 1X4
5~  
cYafQyU  
iO?Sf8yJ:  
4CdST3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run z/IZ ;K_e  
x(UOt;  
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） `=B0NC.3  
}s7ibm'  
zs_^m1t1s  
~LKX2Q:S  
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。 CaV>\E)  
w&E*{{ot
J  
总结 HR> X@g<c  
Wz^M*=,  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 a!!>}e>Cj*  
1.模拟 NL-<K  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 01
-n_ $b  
2.研究 4)4E/q/5  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 =%Yw;%0)Y  
3.优化 a=!I(50  
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。 OlV
'#D   
4.分析 1Z+\>~8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 4XprVB  
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。 1~x=bphS  
DwL4?
!E  
参考文献 :le"FFfk  
[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). dLtn,qCX0^  
]("5O V5  
进一步阅读 vG7aT  
tUp'cG  
进一步阅读 4GY:N6qe'  
 获得入门视频 Yiq8>|  
- 介绍光路图 G\S>H  
- 介绍参数运行 6a=Y_fma  
 关于案例的文档 %](H?'H  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ~D9VjXfL)  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens t#p*{S 3u  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Yom,{;B
v  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair mOUIGlv  
>;;tX3(  
8#S}.|"?F  
QQ：2987619807