[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） t4uxon
 
4`]1W,t  
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 Sp:de,9@  
;r}<o?'RM  
[wYQP6Cyy  
IW*.B6Hw8  
简述案例 JpiKZG@L  
.C?gnOq  
系统详情 \zyGJyy.  
 光源 /V
c!N)  
- 强象散VIS激光二极管 ? GW3E  
 元件 Vd~k4  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） <{uIB;P  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ')<$AMy1  
 探测器 ;Yj&7k1  
- 光线可视化（3D显示） Pw{+7b$  
- 波前差探测 ]uf_"D  
- 场分布和相位计算 aR $P}]H  
- 光束参数（M2值，发散角） p(%x&*)f  
 模拟/设计 +__Rk1CVh  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 `BY`ltW  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 1XRVbQt  
 分析和优化整形光束质量 1qF.0  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 krU2S-  
Kfl+8UR5=  
系统说明 ysPW<  
 VVY\W!  
D%v yO_k  
模拟和设计结果 +FR"Gt$g  
0a5P@;"a  
数值探测器结果 gUcE,L  
=k z;CS+  
|%}?*|-  
Z[VKB3Pb8  
zoU.\]#C  
总结 (@Bm2gH  
Gex^\gf  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 PZ
s  
1.模拟 ]F~5l?4u#  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 tznT*EQr  
2.评估 "M tQj}  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 iu .{L(m  
3.优化 nJnan,`W  
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。 -#r_9HQ,w  
4.分析 =@'"\ "Nh  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ;WhB2/5v  
MG6Tk(3S  
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。 Qmrcng}P  
_C4^J  
详述案例 WXM_H0K  
&+ IXDU  
系统参数 ~^eAS;  
Pzqgg43Xf  
案例的内容和目标 X}ZOjX!  
gR+Z"]  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 .q=X58tHu  
)D^P~2  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 17GyE=Uu  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 (mEZ4yM
 
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 v6GWD}HH,  
yDKX,  
模拟任务：反射光束整形设置 kxP6#8*:  
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。 WM#!X!Vo  
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I9MI}0}7  
S$#Awen"@  
|LQmdgVr$  
aH6pys!O  
规格：像散激光光束 fVkl-<?x  
ck}y-,>,[O  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ql4T@r3l}3  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 (X8N?t
J  
IJ0RHDod:  
RHxd6Gs"  
dug RO[  
G$Dg*<  
%6n;B|!  
规格：柱形抛物面反射镜 Wj3H  y4  
                         (*EN!-/  
 有抛物面曲率的圆柱镜 H$;\TG@,  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 8dpVB#]pp,  
 曲率半径等于焦距的两倍 R'F|z{8  
!>+ 0/  
WlY%f}ln  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） AkF1
Hj  
D&'".N,}  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 #qPk,a  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） bUBuJ  
 离轴角决定了截切区域 e#AB0-f  
H1w;Wb1se  
规格：参数概述（12° x 46°光束） %!q(zql  
b"gYNGgX  
   LC}]6  
K@fxCj*}  
光束整形装置的光路图 ;9^B# aTM  
J:>TV.TP  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 W=DQ6.  
 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。 WgjaMmht  
~(^
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反射光束整形系统的3D视图 /eE P^)h  
V +hV&|=  
9uq| VU5  
| zAey\  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 )TWf/Lcp  
 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）。 )j$Bo{  
.OjJK?  
详述案例 |[qI2-el?  
(R0  
模拟和结果 ,Pl[SMt!  
41:Z8YL(  
结果：3D系统光线扫描分析 g` Wr3  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 S-1}3T%  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :ortyCB:H  
M_PL{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ubgq8@;  
aH:eu<s  
使用参数耦合来设置系统 /qz(ra  
2n@"|\uHD  
B}3s=+L@8  
自由参数： 5Ph"*Rz%  
 反射镜1后y方向的光束半径 n"Ev25%  
 反射镜2后的光束半径 k'{lo_  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） R)H@'X  
 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。 ^{bP#f  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。  l[ L{m7  
jHFdDw|N`  
1mB6rp  
"\BLi C  
*"E]^wCn  
. E.OBn  
SY)o<MD  
自由参数： 2.|
Y  
 反射镜1后y方向的光束半径 `W-:@?PmQx  
 反射镜2后的光束半径 ld3,)ZY  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） FNZnz7  
 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。 5Po.&eS  
& MAIm56~  
rVz#;d!`z  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 BKGwi2]Ry  
DO0["O74  
F<I-^BY)  
结果：使用GFT+进行光束整形 H6~QSe0l  
,CCIg9Pt  
[H"Ods
~_`  
q'W`t>2T  
+tuC845  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ^+}<Q#y-  
yJr'\(  
' rXkTm1{  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 'vh:(-  
OnD+/I  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 lte~26=e  
ArF+9upGY  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 5:YtBdP  
MRiETd"  
(+9@j(  
{gJOc,U4b  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ov?>ALRg  
6~}=? sX4  
结果：评估光束参数 Ble <n6  
^^v\ T  
a1s=t_w
T  
 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。 ql],Wplg  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 fIFB"toiPE  
51L:%Af  
4$.4,4+  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 k8w8I$QEM  
 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） &ts!D!Hj  
}bHdU]$}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd f\Pd#$3  
q7X/"Dfx  
光束质量优化 {y :/9  
~uV.jh  
A/GEDG ?  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 n|{x\@VeF  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 'os-+m@  
In]h+tG?rN  
结果：光束质量优化 .O~)zMx  
j_Dx4*vg  
IUI>/87u  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 /SZsXaC '  
tV%M2DxS  
W4T>@b.  
WtdWD_\%Y\  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） Z~$fTW6g  
w!tQU9+*  
b[H& vp  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd )PR{ia64;<  
aQkgkV;~  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 L{osh0  
\9<aCJxN  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 /G\-v2iD  
O'o`

  
t[7YMk  
 这意味着参数变化是的正态 m &s0Ub  
:MpIx&  
o9>r -  
nB"q   
{b} ?I4)  
 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。
fXO"Mr1  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 S+_}=25  
Fj-mo>"  
QD q2<  
0l{').!_  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 7*uG9iX  
ZA+$ZU^  
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） Q:lSKf  
IZniRd;  

sl>4O]N  
JYs*1
<  
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。
`dMl5b  
$0NWX  
总结 ]MRE^Je\h  
7[^:[OEE  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <HI5xB_  
1.模拟 A\k@9w\Ll;  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 tk2B\}6  
2.研究 KhYGiVA  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ^=}~  
3.优化  &EV|knW  
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。 5fSDdaO  
4.分析 ,r+=>vre  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9^)ochY3  
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。 ;"wU+  
2j*\n|"}{  
参考文献 2-. g>'W  
[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). ;F"W6G
 
A<QYW,:|  
进一步阅读 i=]IUjx<  
9c46|  
进一步阅读 _)ZAf%f?  
 获得入门视频 ;Hv#SRSz  
- 介绍光路图 {.DI[@.g  
- 介绍参数运行 V :*GG+4  
 关于案例的文档 (;+JM*c2N  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens <~<I K=n  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens P2!@^%o  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing \$<kJ||lS  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair #AFr@n  
av&dGsFP  
= r_&R#~GT  
QQ：2987619807