[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Lp1\vfU<+  
xlKg0&D  
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 <D}yqq@|  
Uw!N;QsC  
qnO>F^itF  
T~D2rt\  
简述案例 WR:I2-1  
rf\/Y"D  
系统详情 X0FTD':f  
 光源 |[+/ ]Y  
- 强象散VIS激光二极管 ^uCZO  
 元件 `J l/@bE=  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 1r9.JS  
- 具有高斯振幅调制的光阑 7cMHzhk^  
 探测器 ;rj|>  
- 光线可视化（3D显示） Bjc<d,]  
- 波前差探测 h85kQ^%  
- 场分布和相位计算 'lWgHmE  
- 光束参数（M2值，发散角） UI]UxEJ  
 模拟/设计 k`(Cwp{Oc  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ORDVyb_x  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： fk5$z0/  
 分析和优化整形光束质量 Fo.p}j+>  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ][?@))  
(qyT,K8  
系统说明 ^.gBHZ  
cLm|^j/  
>{1 i8 b@  
模拟和设计结果 E7`Q=4@e  
L]e@./C$  
数值探测器结果 e8,!x9%J  
U32&"&";c  
c,L{Qv"n{  
Dkyw3*LCn%  
. Ua
LP  
总结 |!6<L_31%  

g3*J3I-O  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /6@$^paB  
1.模拟 (k$KUP  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ?#0m[
k&`  
2.评估 YZ(tjIgQ  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 L (@".{T  
3.优化 X%R)  
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。 iF^   
4.分析 2t}^8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 \R|qXB $  
d`sIgll&n  
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。 `gE_u  
Mh@RO|F  
详述案例 N_o|2  
N /Fa^[  
系统参数 \J-}Dp\0b  
,sZ)@?e  
案例的内容和目标 []<N@a6VA>  
z/
P^Bx]r  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 "?Yf3G:\0  
qBF}-N_  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 fqm-?vy}  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 |y DaFv  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 #v\o@ArX  
A|<i7QVY  
模拟任务：反射光束整形设置 N?l  
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。 &pFP=|Pq  
&'"dYZj{  
#4Ltw,b^  
d Z
P;f^^  
6QX2&[qWS  
58[.]f~0  
规格：像散激光光束 fD~f_Wr  
\qw1\-q  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Noi+mL  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 gxCl=\  
v<:/u(i  
<G /a-
Z  
L8~zQV$h  
}~!KjFbs  
Psw<9[  
规格：柱形抛物面反射镜 WVdF/H  
                         EncJB  
 有抛物面曲率的圆柱镜 i/j eb*d0  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 6g 5Lf)yG  
 曲率半径等于焦距的两倍 eeCrH
t4;  
>vZ^D  
r%FfJM@!  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ^+u/Lw&  
G~{#%i  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ;G4g;YHy|  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 1+9}Xnxb  
 离轴角决定了截切区域 8^5@J)R8  
UO}Yr8Z;  
规格：参数概述（12° x 46°光束） @%gth@8  
u$ a7  
   OYj~"-3y)
 
O>/&-Wk=  
光束整形装置的光路图 Ybp';8V  
0/fA>%&  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 M&5De{LS}  
 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。 j!/=w q  
mu@IcIb>  
反射光束整形系统的3D视图 pg/SYEvsV  
P|rreSv*  
U$EQeb  
n|) JhXQ  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 0'O6-1Li  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 VdF<#(
X+  
i?]`9z  
详述案例 UY/qI%#L#,  
g$^I/OK?
 
模拟和结果 _g%h:G&^  
r@ v&~pL  
结果：3D系统光线扫描分析 w~Jy,[@n  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 3?uah'D5  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 s E0ldN"  
f6JC>Np  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .aD=d\  
u$nYdda
k  
使用参数耦合来设置系统 o>@9[F,h+  
#KwK``XC4  
O[\obi"}  
自由参数： R[f@g;h  
 反射镜1后y方向的光束半径 N5Ih+8zT  
 反射镜2后的光束半径 }= (|3\v  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Mo0pN\A}h  
 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。 c|(&6(r  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 )|IMhB+4  
\) vI-  
VD+y4t'^  
{/q4W; D  
IpKpj"eoLy  
*L=F2wW  
C~8;2/F7  
自由参数： OG{vap)  
 反射镜1后y方向的光束半径 6w*q~{"(
 
 反射镜2后的光束半径 );1UbqVPD  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,xuA%CF-S  
 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。 T )"Uq  
9t_N9@  
Nj$h/P  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 V J]S"  
@%
4tWE  
2PG= T/  
结果：使用GFT+进行光束整形 oh.8WlI  
qL/XGIxL?  
),&tF_z:  
7N}==T89[  
?/FCq6o  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 OQ*rxLcA  
$pfN0/`(  
b";D*\=x  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 V8+8?5'l  
v)-:0f  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 wSIfqf+y  
aT20FEZ;  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： q !Nb-O{  
&b!|Y  
UwVc!Lys  
jZP~!q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd iw0|A  
Ncsk~=[  
结果：评估光束参数 FiW>kTM8  
#/2W RN1L  
2sOetmWE7  
 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。 _p,1m[&M  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 2y@y<38  
9t o2V  
)&wJ_(z  
 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。 \p{$9e;8yT  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） *;X,yEK[  
#S
*cFnd  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 5_E,x  
^UiSezcI  
光束质量优化 8w L%(p  
Lk:Sju  
y-k]Tr  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 pjrzoMF  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 Lzy Ix!S  
3{R7y  
结果：光束质量优化 j  hrpS  
L6IF0`M<,I  
O[v(kH'  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 w;8VD`>[|  
M?m)<vMr*  
@o4n!Ip2x/  
J'4V_Kjg-  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） bZ_vb? n  
J~(M%] &k^  
{*Tnl-m~  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd L"ob))GF  
_{f7e^;  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 jO+#$=C  

q:X&)f  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 %MUh_63bB  
6gN>P%n  
/FW{>N1  
 这意味着参数变化是的正态 Q~S3d  
<Q|(dFr`v  
N\Li/  
6O# xV:Uc<  
V1!;Hvm]+  
 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。 Q]"u?Q]  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 G@I/Dy  
,~^B
oH}  
[|
E|(@J  
`zBQ:_3J_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run jg+q{ ^  
%.`<ud  
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） P K9BowlW  
'H.,S_v1x  
[G>U>[u|  
DC6xet{  
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。 V-.Nc#  
"[M k5tM  
总结 WEVV2BJ  
$(JB"
%S8c  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Wi3St`$  
1.模拟 u&\QZW?  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 C#Y_La  
2.研究 ,s.{R  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 zb=L[2;  
3.优化 s%p,cz; ,  
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。 Wp0L!X=0  
4.分析 B9Y*'hmI  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 6Lhfb\2?  
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。 sUEvL(%nY  
NwB;9ZhZ  
参考文献 VGtKW kVH  
[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). syR +;  
4kqgZtg.  
进一步阅读 6l|,J`G  
xY,W[?3CY  
进一步阅读 ;;;{<GEQ  
 获得入门视频 O2 sAt3'  
- 介绍光路图 iD-,C`  
- 介绍参数运行 4(O;lVT}  
 关于案例的文档 0^IHBN?9  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens x8q3 Njr

 
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens A(dWAe,  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing k),!%6\(  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair s`E^1jC  
E`aAPk_y  
vE=)qn=a  
QQ：2987619807