[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ~*:{U   
R^8L^8EL  
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 * V;L|c  
0*!CJ;%N  
"rhU2jT=c  
|'@c ~yc  
简述案例 JjBG9Rp{  

<dzfD;  
系统详情 <}e2\x  
 光源 5=< y%VF  
- 强象散VIS激光二极管 \:>GF-Z(  
 元件 Ns?qLSN  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） )_[eqr  
- 具有高斯振幅调制的光阑 X|o;*J](  
 探测器 h#_KO-#.[  
- 光线可视化（3D显示） w-f[h  
- 波前差探测 =W+ h.?  
- 场分布和相位计算 m417=wf  
- 光束参数（M2值，发散角） 8?p40x$m%  
 模拟/设计 nR%ASUx:Y  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 e,j2#wjor  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： &
.dC%  
 分析和优化整形光束质量 LOm*=MVex  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 .MNi)+  
4sU*UePr  
系统说明 DeqTr:  
rHS;wT  
B 4s^X`?z  
模拟和设计结果 ^]nnvvp  
82w;}(!  
数值探测器结果 Cs2hi,s  
QU`M5{#  
W6N3u7mrb  
!m7`E  
x#wkODLqi  
总结 }b$?t7Q)  
@|e4.(9A  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 X5s.F%Np!  
1.模拟 +ZuT\P&kR5  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 \0}!qG![AA  
2.评估 !v^{n+  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 c~_nOd  
3.优化 i}fAjS: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。 0?DD!H)&w  
4.分析 Dt1v`T~=?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 _G$SA-W(  
"6[a%f#Q  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 M%*D}s-QE  
KKrLF?rc  
详述案例 ~&zrDj~FI  
'VgdQp$L$  
系统参数 Vrwy+o>:X  
8$!&D&v  
案例的内容和目标 jkTh)
Bm|'  
]4{ )VXod  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 dA)JR"r2  
kTC'`xv  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 3K8#,TK3  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 +"sjkdum1  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 qh|t}#DrR  
SJseP_-  
模拟任务：反射光束整形设置 <7U\@si4  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 3q$[r_   
h/)kd3$*'  
IE)$.%q;)  
-<g&U*/E  
4AIo,{(  
1Q5:Vo^B#  
规格：像散激光光束 iMT[sb  
&d
H[lB  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 jOkc'  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 `Z#0kpXk_  
nrhzNW
>]  
I]4L0r-  
2HNAB4E  
$ \yZ;Z:  
:V9%R~h/  
规格：柱形抛物面反射镜 cuw 7P  
                         Ipp#{'Do  
 有抛物面曲率的圆柱镜 '-,$@l#  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 [NxC7p:Lo  
 曲率半径等于焦距的两倍 KQf=t0Z=Ce  
s%&/Zt  
L:.z FW,  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） +jEtu[ ;  
TR<M3,RG#%  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 VRb+
-T7"  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） >U~{WM$"Y  
 离轴角决定了截切区域 gNWTzz<[f>  
zu,F 0;De  
规格：参数概述（12° x 46°光束） #JAy  
y6hb-: #1  
   IjPCaH.:t  
r6b;v2!8  
光束整形装置的光路图 f@j)t%mh  
/<R[X>]<F  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 u_Wftb?9  
 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。 *el~sor;S  
t@;r~Sb  
反射光束整形系统的3D视图 0Ym_l?]m[  
;
4'pucq5/  
m]?C @ina  
"c5bz  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ]aMeMhe-  
 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#*%r)  
*U mWcFoF  
详述案例 A<U9$"j9J  
0
! W$Cz[  
模拟和结果 S8dX8,qg  
W\pO`FL  
结果：3D系统光线扫描分析 ln2lFfz
 
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 QFNw2:)  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 fP KFU  
s# 9*`K  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd \Q!
I;  
lDX\"Fq  
使用参数耦合来设置系统 PC<[$~  
q2e=(]rKE{  
P?o|N<46  
自由参数： i",7<01  
 反射镜1后y方向的光束半径 JC.nfxG@:  
 反射镜2后的光束半径 'JRYf;9c  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） J3z:U&%=  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 \|YIuzlO4  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 YHOo6syk  
M-V{(  
Tl!}Rw~Pg  
^1-Vd5g  
!zQbF&>  
_]t^F9l  
V%Ww;Ca]I  
自由参数： "j/jhe6  
 反射镜1后y方向的光束半径 He)!Ez\X  
 反射镜2后的光束半径 [:(hqi!  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） U}R(  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 IwVdx^9  
x(+H1D\W  
IBz)3gj J  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 X.GK5Phd  
Y=ksrs>w  
 \RS ,Y  
结果：使用GFT+进行光束整形 +`f3_Xd  
8P*d  
;J,`v5z0:  
(b8ZADI*  
|" ag'h  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 IAi|4,y_L  
BMO&(g  
yHf:/8Z  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 o/hj~;(]  
tF:AqR:(~  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 d:#z{V_  
P?h
B`5X  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： i:|e#$x  
s8  5l  
0{(5J,/BF  
8?LHYdJ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd n.=Zw2F
E  
3}lIY7O  
结果：评估光束参数 8`z  
6xLQ  
<-DQ(0xg  
 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:\>)6]Ls  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 <DN7  
3<>DDY2bl  
 Dn#^-,H  
 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。 @rS(3wu_&  
 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） bT^(D^  
Xc$Zkfmms  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ^/I.? :+  
!j/54,  
光束质量优化 =~TPrO^  
1<Vke$  
XXA.wPD-  
 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。 s6k(K>Pl  
 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）。 [)?yH3  
%c@PTpAM  
结果：光束质量优化 Q^8/"aV\  
=E62N7_`=  
ZgfhNI\
 
 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。 _ glB<r$  
Y+h ?HS  
K >Q6  
]xGpN ]u  
 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。） 5w%[|%KG:L  
.{-X1tJ7  
/VD[:sU7  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd )J?8"+_Y  
b94+GLU8b  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 6xFchdMG{m  
rX0 ?m:&m  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ;Sfe.ky@6  
`A#0If  
%,S{9q  
 这意味着参数变化是的正态 vSR5F9  
{Ve3EYYm  
yqH9*&KH{  
UW1i%u k  
7\N }QP0"u  
 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。 u$FL(m4  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。
p W
@Yr  
L)qUBp@MW  
qHvU4v  
cG&@PO]+.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run z<%dWz  
G#ELQ/Q  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ）
!ST7@D  
(*kKfg4Wj  
JXHf$k  
8n["/5,  
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。 ?vFtv}@\  
x.$cP  
总结 wp83E,  

!?>I  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 o_BRsJy  
1.模拟 x4h.WDT$  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 9{e/ V)  
2.研究 K{,'%|  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 /ZM xVh0  
3.优化 3h$E^"  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ~dzD7lG6  
4.分析 X(BX+)YR  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 BHiG3fP  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 =oM#]M'G+(  
OT(0~,.GJ  
参考文献 e tL?UF$  
[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). |Qcj+HH.  
p+5J  
进一步阅读 oW(EV4J"  
/ !y~Q|<|=  
进一步阅读 hk$I-  
 获得入门视频 $xK\$kw\  
- 介绍光路图 y4r?M8]"r  
- 介绍参数运行 n 83Dt*O  
 关于案例的文档 r)Vpt fg;  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens A@Lr(L  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens A6J:!sY4A  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ^vTx%F  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair 5;G0$M0  
C#
8A|  
 F=a  
QQ：2987619807