[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） }3 }=tN5  
1tdCzbEn+  
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 @{uc  
 ZsZ1  
<Tf;p8#  
@_3$(*n$~  
简述案例 ^q\zC%.  
DlI5} Jh  
系统详情 Hea<!zPH  
 光源 "[yiNJ"kt  
- 强象散VIS激光二极管 ;kBies>V  
 元件 e%6{P  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Z >=Y  
- 具有高斯振幅调制的光阑 98^6{p  
 探测器 VKz<7K\/  
- 光线可视化（3D显示） (N4(r<o;  
- 波前差探测 ?` i/  
- 场分布和相位计算 ;4$C$r!t  
- 光束参数（M2值，发散角） ^<0NIu}  
 模拟/设计 zi .
,?Q  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 \DK*>
k  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ()?co<@(l  
 分析和优化整形光束质量 bq-\'h f<  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 j*d~h$[k  
&tCtCk%{j  
系统说明 ~-wJ#E3g  
\*aLyyy3  
2j1v.%  
模拟和设计结果 ]xEE7H]\h  
^1=|(Z/  
数值探测器结果 4&hqeY3  
^]&{"!  
[[h)4H{T  
)OC[;>F7  
K"j=_%{  
总结 5l0rw)  
U^BXCu1km  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 :b*`hWnQ  
1.模拟 _PUm Pom.  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ;<@6f@  
2.评估 k<zGrq=8J  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 h./vTNMc  
3.优化 OG7v'vmY  
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。 5'Jh2r
 
4.分析 O)%kl  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 e
.|RC  

7u5\#|yL  
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。 KGmc*Jwy  
5|G3t`$pa  
详述案例 nvo1+W(%  
p6*a1^lU6  
系统参数 I S8nvx\  
'O2#1SWe  
案例的内容和目标 *M<BPxh0w]  
tW"ptU^9)
 
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 (L:Fb  
?J@qg20z  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 i2a"J&,6O  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 J:Y|O-S!  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 .4re0:V  
|\n)<r_  
模拟任务：反射光束整形设置 s8Ry}{  
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。 'h6}cw+K  
:8Ts'OGwI  
dN\P&"`  
\.;ct  
R5&$h$[/  
GHC?Tp  
规格：像散激光光束 (&S[R{=^j  
<Z:8~:@  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 4:eq{n  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 G q:4rG|  
?V)C9@bp  
pY!dG-;  
gLSG:7m@  
}d3N`TT  
'Rkvsch  
规格：柱形抛物面反射镜 CpRu*w{  
                         xe gL!  
 有抛物面曲率的圆柱镜 M`+e'vdw  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 B?lBO V4v4  
 曲率半径等于焦距的两倍 7hF,gl5  
0I>?_?~l6  
kV:FJx0xP  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
@6YBK+"  
q"LJwV}W  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Y =g>r]2  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） |
IX`(  
 离轴角决定了截切区域 | 2.e0Z]k  
/pIb@:Y1?  
规格：参数概述（12° x 46°光束） T7lj39pJq  
N?=qEX|R  
   mzV"G>,o  
9 yW~79n  
光束整形装置的光路图 A|taP$%  
y@kcXlY  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 >^H'ZYzw  
 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。 \at-"[.  
fY%M=,t3c  
反射光束整形系统的3D视图 3Zaq#uA  
/nY).lSH  
i{|lsd(+  
~N{_N95!2@  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 dE5 5  
 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）。 $h,&b<-  
OC?Zw@  
详述案例 Sqdc1zC
 
VA=#0w  
模拟和结果 3b|7[7}&  
OK M\"A4  
结果：3D系统光线扫描分析  `CAG8D  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 2Ft8dfdm`  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Hb A3*2  
@~$F;M=.*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd `i t+D  
462!;/y  
使用参数耦合来设置系统 nIV.
9#~&  
h9<mThvgn  
%\X P:  
自由参数： y$j
1?7  
 反射镜1后y方向的光束半径 5:*5j@/S  
 反射镜2后的光束半径 `z3|M#r\;  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /'Quu)~  
 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。 pAJ=f}",]E  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ";)r*UgR{B  
I"8d5a}  
Ynv9&P  
*D=K{bUe'  
69[V <1  
\#\`!L[1  
NK+FQ^m[  
自由参数： <S\;k@f  
 反射镜1后y方向的光束半径 u;+%Qh  
 反射镜2后的光束半径 $xRo<,OV+  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） r+p@X  
 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。 tSEA999  
_L*f8e8  
uIYcmF\?  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 5wzQ?07T_  

q?;N7P  
F1 <489  
结果：使用GFT+进行光束整形 YHETI~'j.  
lp:_H-sG  
((-aC`  
]~?S~l%  
KH>Sc3p  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 $!3gN%  
8_"3Yb`f  
hf_R\C(c  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ..??O^  
<8iYL`3  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 H,(F1+~d  
6b%`^B\  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： :6 Uk)  
h^%GE;N  
8'3"uv  
xM%H~(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd {udrT"h  
AiY|O S3R  
结果：评估光束参数 qzz[y#q(  
jZa25Z00  
@ L\-ZWq  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ])N|[|$  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 >ysriPnQ  
h^['rmd  
BD hLz  
 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。 uP
FRh~ (b  
 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） B:e.gtM5  
40 A&#u9o  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd CIIY|DI`l  
ktN%!Mh\  
光束质量优化 H9sZR>(^  
gB>(xY>LrA  
0o;k?4aP.c  
 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。 $X`bm*  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 d?JAUbqy  
!K!)S^^Po?  
结果：光束质量优化 Po!oN~r  
\'[3^/('  
W5pn;u- sz  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 =\M)6"}y}  
:b"=KQ  
/d[Mss  
"Lb fF  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） |B 9t-  
K-Re"zsz  
3*G5F}7%=  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd [C~fBf5  
,cLH
*@  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 TS1pR"6l  
ol50d73B  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 w_\nB}_  
gRHtgR)T3  
VXiui'/(  
 这意味着参数变化是的正态 [9LxhPi  
[Uswf3  
nZ~kZ |VS  
g-XKP  
|ribWCv0  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 cbfDB^_  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 L"4]Tm>zq  
s}s|~  
>8%M*-=p  
lbd(j{h>4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run \/
n+j!  
WXLK89ev\  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） 00"CC  
:Pc(DfkS  
36nyu_h:R  
'|_/lz$h  
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。 -ovoRI^6`}  
B& "RS  
总结 d)\2U{  
hzv3F9.x  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .wP/ai>}  
1.模拟 55^tfu  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 w~]T<^fW~  
2.研究 as(;]  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 6s5yyy=L%~  
3.优化 wE?CvL  
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。 g@Ld"5$^2  
4.分析 #,TELzUVE  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 "w9`cz9a~J  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 G?R_aPP  
]W;:|/,c  
参考文献 q~j)W$k  
[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). mzz$`M1  
{tc57jsr  
进一步阅读 bi.wYp(*6L  
iKhH^V%j  
进一步阅读 1\y@E  
 获得入门视频 9)Ly}Kzx  
- 介绍光路图
1 =^  
- 介绍参数运行 /
9Z!p  
 关于案例的文档 ?~Pv3'%d  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens NCn`}QP  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 68p R:  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ] opto  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair O>%$q8x@i  
9n"V\e_R  
D#ZPq,f  
QQ：2987619807