[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） J A4'e@  
f![x7D$  
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 y%}Po)X]f  
1Qhx$If~  
'rp(k\pY  
^X"G~#v=q  
简述案例 0ydAdgD  
|3Oe2qb  
系统详情 >:X
zv  
 光源 a%*W^R9Ls  
- 强象散VIS激光二极管 %jKR\f G  
 元件 7<|1 xOT  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） <MA!?7Z|  
- 具有高斯振幅调制的光阑 `
Ft`8=(  
 探测器 )8st  
- 光线可视化（3D显示） \C/`?"4w  
- 波前差探测  f==o  
- 场分布和相位计算 A}OV>yM  
- 光束参数（M2值，发散角） J U}XSb  
 模拟/设计 `lN1u'(:  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 qSkt }F%'  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： iDp]lu  
 分析和优化整形光束质量 pb_mW;JVu  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ruB&&C6)v  
aE1h0`OT  
系统说明 QbxjfW"/+  
;9=9D{-4+  
$C,f>^1  
模拟和设计结果 P,CJy|[L  
4kxy7]W  
数值探测器结果 R4E0avt  
j05ahquI  
vb{&T<  
$J=9$.4"  
HR.S.(t[_  
总结 XMa(XOnX  
D3;^!ln]D  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 <LzN/I aJ  
1.模拟 =f.f%g6  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 I;uZ/cZ|/  
2.评估 rTDx|pvYx  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 vyN=X]p  
3.优化 !i.`m-J*  
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。 9n|H%AC  
4.分析 w_/q5]/V-5  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 @D[;$YEk  
q<,?:g$k  
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。 =WJ*$j(  
h9>~?1$lz  
详述案例 YPf&y"E&H  
,UH`l./3DX  
系统参数 W{=>c/  
}P-9\*hlm  
案例的内容和目标 k,X` }AJ6  
e_\4(4x  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 vb5tyY0c  
MfCu\[qOz  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 u2-
%~Rlo  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 m-*du(  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 -t:yy:4  
TcO@q ]+S  
模拟任务：反射光束整形设置 A~h.,<+"  
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。 P[#V{%f*5  
"%qGcC
8  
t#6gjfIi  
-[0)n{AVvU  
@~QW~{y  
fCO!M1t  
规格：像散激光光束 \W??`?Idh  
tA}O'x  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 WH/
r$.&  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 -]W AB9  
n8iejdA'  
fo4j^,`  
2[qO;js  
5a5I+* c  
Le|Ho^h,Y
 
规格：柱形抛物面反射镜 `)1_^# k  
                         Z3~$"V*ZB{  
 有抛物面曲率的圆柱镜 6yv*AmFh  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 AS
R"<]  
 曲率半径等于焦距的两倍 +\\,FO_  
%89f<F\V  
pR
Pz1J$58  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） x)THeH@  
(NScG[$}  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 "Z&{  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） qZ6P(5X  
 离轴角决定了截切区域 l?pZ
dAE  
&>*fJ  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Z+(V'e;  
jiC;*]n  
   8`U5/!6fu  
TL1pv l  
光束整形装置的光路图 UfOF's_'<  
TPvS+_<oL{  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ]Tx8ImD#)A  
 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。 7K {/2k  
C.}Z5BwS  
反射光束整形系统的3D视图 `~(KbH=]  
_udH(NC  
a%
Q
.8  
6^if%62l&  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 VkRvmKYl  
 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）。 UF|v=|*{#  
eH(
8T  
详述案例 )?K3nr  
 Ae<v  
模拟和结果 ++5W_Ooep  
[NQ`S ~_:  
结果：3D系统光线扫描分析 w`CGDF\Oo  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 z"Gk K
T  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 BN|+2D+S  
rgRh ySud  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd fY}e.lD  
:@`Ll;G  
使用参数耦合来设置系统 u/hFf3  
T,TKt%  
\T/~" w  
自由参数： 4IG'Tm  
 反射镜1后y方向的光束半径 y9=/kFPRm  
 反射镜2后的光束半径 B&0-~o3WP  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） BBnj}XP*4  
 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。 zX"@QB3E  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 S=0zP36kH:  
CTD{!I(  
2(\~z@g  
yCf*ts1  
0N;Pb(%7UU  
`2o/W]SSk  
|FS79Bv  
自由参数： (fUXJ$  
 反射镜1后y方向的光束半径 }e9E+2}Z\  
 反射镜2后的光束半径 S_y!4;]ox  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） erdWGUfQOe  
 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。 HfFP4#C,  
u#/Y<1gn  
smoz5
~  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 I%h9V([  
|p4F^!9  
((SN We  
结果：使用GFT+进行光束整形 +w?RW^:Q=  
1,p7Sl^h  
RQ X  
^*C8BzcH  
xx)egy_  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 m;>HUTj  
K=;z&E=<c  

ssoIC  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 63#Sf$p{v  
q=M!YWz  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 9*h?g+\  
z:ue]7(.  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： DBWe>Ef(  
frWw-<
HoI  
npkE[JE:  
f\nF2rlu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd GPy+\P`  
il(dVW  
结果：评估光束参数 v/ dSz/<]  
u7=`u/  
QmvhmsDL  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 YLVIn_\}  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 E?l_*[G  
J
K4vQWy  
2j9Mr  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 ;f:}gMK  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） Ms;:+JI  
{9q~bt  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd y m<3  
ne4j_!V{Mf  
光束质量优化 AifnC4  
y*0bHzJ  
^31X-}tv  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 (, Il>cR4  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 ma)Y@Uw M  
]mYT!(}  
结果：光束质量优化 w[~O@:`]<o  
O~N0JK_>  
_5 Zhv-7  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 9!6sf GZ  
%e.tAl"!$  
W-ErzX  
;N6Euiz  
 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。） {x{e?c!  
w#_/CUL  
I&^B
?"Y  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd PzbLbH8A  
3e+ Ih2  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 bq#*XCt#  
A0Pg|M  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Sz|;wsF{  
atRWKsY<  
^iAOz-H  
 这意味着参数变化是的正态 ~UA:_7#\M  
;L (dmx?  
BO)K=gl;8  
ejP273*ah  
c@!%.# |y  
 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。 qOAK`{b  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 VX0q!Q  
?UCK  
<2@V$$Qg.~  
e=S51q_0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ,$BbJQ5  
n\Y{?x  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） ;LSdY}*%0  
L6S!?t.{Yv  
\@8j&],dl  
*\ZK(/V  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 !lf'gW  
*F7ksLH|q  
总结 l'TM^B)`c  
y qDE|DIez  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 sTeW4Hnp  
1.模拟 iv@ey-,<  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 M{M>$p
t  
2.研究 80=6B  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 xaiA2  
3.优化 fy&vo~4i;  
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。 pV`?=[h9  
4.分析 v53qpqc  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 #'s}=i}y"C  
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。 C8 [W  
rik-C7  
参考文献 QfqosoP\D  
[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). zq\YZ:JC  
Xi vzhI4  
进一步阅读 ;.*n77Y  
cVCylRU"  
进一步阅读 .[YM0dt  
 获得入门视频 ]3UEju8$  
- 介绍光路图 ^=kUNyY  
- 介绍参数运行 rfj>/?8!@  
 关于案例的文档 T#&tf
^;  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens hbfTv;=z  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens c~j")o  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing )y8 u+5^  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair yn&+ >{  
0V:7pSC{P  
s'/b&Idf8  
QQ：2987619807