[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） [|2uu."$  
-K`0`n}  
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  ->-  
Y962rZ  
=L$};ko  
]t|KFk!)  
简述案例 )S$!36Ni[  
xXK7i\ny  
系统详情 kRgyvA,*;  
 光源
`5`Pv'`  
- 强象散VIS激光二极管 :&dY1.<N+  
 元件 [?BmW{*u.  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） `}F=Z
jy  
- 具有高斯振幅调制的光阑 *?gn@4Ly  
 探测器 %2<chq  
- 光线可视化（3D显示） sHe:h XG'  
- 波前差探测 fp9ksxb@m  
- 场分布和相位计算 ~Xnq(}?ok  
- 光束参数（M2值，发散角） Jug1Va<^c  
 模拟/设计 p]:~z|.Ba  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 >ofS'mp  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ?|+bM`  
 分析和优化整形光束质量 3Fh<%<=  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 {!B0&x  
J=TbZL4y}4  
系统说明 muo7KUT  
amGQ!$] %#  
5SX0g(C  
模拟和设计结果 SV]M]CAe  
x#|P-^  
数值探测器结果 -nO('(t  
oC U8;z  
~SJOynSz,  

mn" a$  
>}<:5gZtA  
总结 Y_%\kM?7  
bqf=;Nvog  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~m uVQ  
1.模拟 iTbmD  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 RgQ\Cs24Q  
2.评估 6%ID*  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 pZGso  
3.优化 h=4m2m  
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。 3Du&KZ  
4.分析 X!,Ngmw.  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 D2>EG~xWq  
g@nk0lQewj  
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。 [fR<#1Z  
LjXtOF  
详述案例 <g,k[  
8.jd'yp*J  
系统参数 ~AK!_EOs`  
MH"c=mL:  
案例的内容和目标 x`%;Q@G  
fylW)W4C  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ,i*^fpF`F"  
Z#>k:v  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 =q[3/'2V$?  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 H7#RL1qM&  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 % C6 H(  
)l30~5u<J  
模拟任务：反射光束整形设置 V%ykHo  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。  IO>Cyo  
FNmIXpAn*@  
)_.@M '?  
F6Q#{Ufq  
a%(1#2^`q!  
x6,S#p  
规格：像散激光光束 PU?kQZU~)  
MQ\:/]a  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 r7ywK9UL  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 sd8o&6  
A7|"0*62  
,Z>RvLl  
Uk;SY[mU  
v l{hE~  
J4lE7aFDA~  
规格：柱形抛物面反射镜 @[ :sP  
                         >454Yir0Mk  
 有抛物面曲率的圆柱镜 kmov(V  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 :?RK>}4|F  
 曲率半径等于焦距的两倍 s|,gn5  
KM0#M'dXy  
sSD(mO<(  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） VIi|:k  
LDPo}ogs  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 7BI0g@$Nn]  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） #M`ijN!Y  
 离轴角决定了截切区域 }clFaT>m?  
7)_0jp~2  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Nb]qY>K  
XkdNWR0  
   gscsB4<  
-'q=oTZ  
光束整形装置的光路图 7ky(g'  
=C#,aoa!  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
Iv/yIS  
 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。 &Puu Xz<  
-h.YQC`  
反射光束整形系统的3D视图 aL=VNZ!Pqc  
}JlQQ  
>Q+EqT  
u5R^++  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 *Z/B\nb  
 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）。 ,Y!T!o}1  
*$l8H[  
详述案例 x!YfZ*  
;[9cj&7C<  
模拟和结果 `kj7I{'l%9  
=e._b 7P  
结果：3D系统光线扫描分析 #d|.BxH  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 B:x4H}`vh  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 {g )kT_  
K}Z'!+<U  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /+IR^WG#C}  
BAKfs/N  
使用参数耦合来设置系统 m]DjIs*@%h  
1m![;Pg3  
+[F9Q,bH@b  
自由参数： =lDmP|^  
 反射镜1后y方向的光束半径 ?_tOqh@in  
 反射镜2后的光束半径 jg
Gn"}  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） CyXcA;H,.  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ;G\rhk  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 qmL!"ZRLF  
uP*>-s'm  
v
F([mOZ  
KY"~Ta`  
T:}Ed_m}q  
-nd6hx  
 u?'X%'K*  
自由参数： .OWIlT4K  
 反射镜1后y方向的光束半径 hQet?*diU  
 反射镜2后的光束半径 c2F`S1Nu<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） P4N{lQ.>  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 8;Pdd1GyUL  
!*\^-uvaK  
A!^,QRkRN  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 5?I]\Tb  
OVivJx  
`86b  
结果：使用GFT+进行光束整形 Fvv6<
E  
"3>#
[o  
U>I#f  
i$NnHj|
 
tx.YW9xD  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 mC93 &0  
SZ1C38bd,.  
Ugs<WVp$  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 )1i)I?m  
%%3ugD5i!  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 eVlI:yqppj  
Cy2X>Tl"<E  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ~&qe"0  
[ z&y]~  
N4}h_mh^'  
>l7 o/*4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd WW_X:N~~e\  
NCsUC  
结果：评估光束参数 lA ,%'+-  
oC?b]tzj  
1ii.nt1u  
 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。 i&KbzOY  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 XH*^#c  
9wwvh'T&NK  
^KhFBed  
 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。 " DFg"  
 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） R.fRQ>rI  
2Hd6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd v0y7N_U5n  
|_rj12.xo  
光束质量优化 q'@UZ$2  
4 IHl'*D[#  
^:q(ksssY  
 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。 Q2 edS|  
 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）。 K~E]Fkw!;  
!bY{T#i)k  
结果：光束质量优化 uI%[1`2N-  
`2Z=Lp  
$ OR>JnV  
 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。 (+U!#T]'D  
yA_d
${n  
T]my
hNk  
|~/{lE=I  
 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/ i3  
`#UTOYx4  
$@NZ*m%?JQ  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd eu4x{NmQ  
|p+VitM7  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 o+vf  
FD6|>G  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 B}jZ~/D}  
H
;CGLis  
_Nj;Ni2rD  
 这意味着参数变化是的正态 +:t1PV;l  
`?$R_uFh:  
" c]Mz&z  
&@Q3CCDS  
r`krv-,O$  
 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。 \i&yR]LF  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 uaGg8  
ALG #)$|  
}Bb(wP^B.  
MHbRG_zW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 4*54"[9Hr#  
,aN/``j=  
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） x?%vqg^r  
Wt8 RC  
WFB2Ub7  
QA%GK4F70  
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。 J+;.t&5R  
L.GpQJ
8u  
总结 XI0O^[/n{  
JvUKfsnu{  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 87HVD Di  
1.模拟 "<&F=gV  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 saV3<zgx  
2.研究 OVd"'|&6_  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 hsl8@=_ B  
3.优化 *yf+5q4t  
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。 -1{N#c/U  
4.分析 6^zv:C%  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 -r,J>2`l  
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。 `)%eU~  
)~5`A*Ku  
参考文献 E`X+fJx  
[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). :?S2s Ne2  
*L^{p.K4  
进一步阅读 I8[G!u71)_  
:4WwCpgz,  
进一步阅读 \Lc pl-;?  
 获得入门视频 X+*| nvq]  
- 介绍光路图 We9mkwK7C  
- 介绍参数运行 1xx-}AIH#  
 关于案例的文档 fer'2(G?W  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 9LFg":  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens pymT-  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 8U8"k  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair fb#Ob0H  
^C'k.pV n~  
q/Gy&8 K  
QQ：2987619807