[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） jQ)T67  
Y3=_ec3w  
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 }-@`9(o`)  
xL" |)A =  
=yy5D$\  
l(Q?rwI8Y  
简述案例 5+wAzVA  
[VWUqlNt>  
系统详情 ^k\e8F/  
 光源 c}0@2Vf  
- 强象散VIS激光二极管 !e?.6% %   
 元件 5v6Eii:  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 3Gip<\$v  
- 具有高斯振幅调制的光阑 3=L.uXVb  
 探测器 Ggb5K8D*  
- 光线可视化（3D显示） NhYLtw^u  
- 波前差探测 s@7H1)U  
- 场分布和相位计算 JGQjw(Xs  
- 光束参数（M2值，发散角） ]H1I,`=@  
 模拟/设计 ;"m ,:5%  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 to$h2#i_  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ?pzaG{  
 分析和优化整形光束质量 %x} O1yV  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Q0ON9gqqv  
EEW_gFn  
系统说明 10U9ZC  
QMpoa5ZQG  
9*(aUz9j  
模拟和设计结果 s91JBP|B7  
x UD-iSY  
数值探测器结果 c=`wg$2:5  
:]1TGfS  
,1"KHv  
NSDv;|f  
fP `b>]N_  
总结 ]:~OG
@(  
Jtk|w[4L  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 \R;`zuv  
1.模拟 8M`#pN^  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 QD>"]ap,o  
2.评估 go<W(
,O  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 bAm(8nT7w  
3.优化 }B.H|*uO  
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。 qm8&*UuKJ  
4.分析 Bb"Bg\le,^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 g'm+/pU)w)  
#*(td<Cp  
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。 9^p;UA  
Sh8"F@P8  
详述案例 Z7?~S
2{c  
CtSl  
系统参数 wD]/{
jw  
ynhmMy%  
案例的内容和目标 ixT:)|'i  
9BuSN*4  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 <>aw 1WM+  
Ub* wuI  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 -B$2\ZE  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 vCwe'q`1  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 $ . 9V&  
z=3\Ab  
模拟任务：反射光束整形设置 c>)Yt^q&K  
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。 T]=r Co  
{>)#H
D  
p$3sME$L  
D
S[#|  
4Q6mo/=H  
fV'ZsJ N  
规格：像散激光光束 bq:(
u4 3  
Q{5kxw1ZF  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 AGYc |;  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 n$ou- Q  
:1bWVM)  
d5gR"ja  
S_IUV)  
W|g4z7Pb  
Us0EG\Y  
规格：柱形抛物面反射镜 j?x>_#tIY  
                         CyXRi}W.  
 有抛物面曲率的圆柱镜 lUvpszH=  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Qh'ATo  
 曲率半径等于焦距的两倍 "$N+"3I  
2 Cv4=S  
r 0iK  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） W1|0Yd ;P  
SX# e:_  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Lja>8m  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） L'0B$6  
 离轴角决定了截切区域 f m)pulz  
t_$2CRG#  
规格：参数概述（12° x 46°光束） &N\jG373  
t? yz  
   l^pA2yh|  
!FElW`F  
光束整形装置的光路图 rFj-kojg  
Pu*6"}#~  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 G?;e-OhV  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 ~5CBEIF(NS  
bj>v|#r^  
反射光束整形系统的3D视图 xQ^E"Q,1  
)W;o<:x3  
V4'YWdTi  
ECrex>zr%  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 zGAq-<  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 KmA;HiH%J  
AK*LyR?  
详述案例 8{^WY7.'  
{ + Zd*)M[  
模拟和结果 !y@NAa0  
8T!+ZQAz  
结果：3D系统光线扫描分析 0;AA/  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ?"i}^B`*  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 4'a=pnE$  
jU9$Ehg I  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd D*gFV{Ws  
)GM41t1i  
使用参数耦合来设置系统 m g4nrr\  
I+[>I=ewa  
-xEXN[\S  
自由参数： MbZJ;,e?  
 反射镜1后y方向的光束半径 `lO[x.[  
 反射镜2后的光束半径 $m].8?  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Q;43[1&3w  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 j}JrE,|  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ->g*</  
+zaA,e?\  
b\$}>O  
h?BFvbAt  
^=RffrlZU  
\eT5flC  
<UV1!2nv*  
自由参数： 19Mu61  
 反射镜1后y方向的光束半径 Q@<S[Qh[.  
 反射镜2后的光束半径 t>urc  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） #Ssx!+q?  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 Nn~~!q  
pgI^4h  
.!$*:4ok  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 cDFO;Dr  
E_])E`BJ  
j.w@
(<=x  
结果：使用GFT+进行光束整形 bm?sbE  
X(]WVCu  
_aad=BrMK  
.TND a&  
h_:C+)13`x  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 wsIW |@  
{mZC$U'  
E*V`":efS  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 <acUKfpY  
\?0&0;5  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 tD(7^GuR  
KxYwJ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： @z4*.S&tz  
F)&@P-9+  
]>LhkA@V  
3DiLk=\~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd rz wF~-m +  
0-HqPdjR  
结果：评估光束参数 }=gx#  
;aI[=?<x  
\Xm,OE_v"  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 kP#B5K_U|  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 q3.j"WaP  
L+Xc-uv["p  
(l-tvk4Ln  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 
E^ P,*s  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） QDs^Ije  
v(B<Nb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd +BVym~*^  
cC=[Saatsf  
光束质量优化
A+SE91m  
kbTm^y"  
|Y$uqRdV  
 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。 k9  "[H'  
 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）。 {sihus#Q  
Pz>s6 [ob  
结果：光束质量优化 E*.{=W }C  
q qpgy7  
x_|UPF  
 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。 ORyE`h
 
WG N=Y~E  
%_+2@\  
0f

b`08,^  
 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。） N^HUijw<  
J7=
+  
 ud xZ0  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd &Sl[lXE  
<,Ue 0  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Ge-CY  
b8V~S'6VqO  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 o7J  
As3.Q(#Z  
c_
-drS  
 这意味着参数变化是的正态 CN#+U,NZV  
AvxfI"sp  
sm0xLZ  
i`QKH  
v1BDP<qU2  
 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#dJ^4P  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 OUeyklw  
J)`-+}7$v  
jX3,c%aQ5e  
H<v'^*(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run *+j*{>E  
DB-l$rj  
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） xl6,s>ob  
w8kOVN2b  
lzYEx  
tE@;X=  
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。 zA$k0p  
v%"|WV[N  
总结 k 8UO9r[  
|?qquD 4=  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 txiP!+3OWB  
1.模拟 i\KQ!f>A  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 JHz [7  
2.研究 Min ^>  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 R]OpQ[k  
3.优化 AtdlZ  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 .WPV dwV4U  
4.分析 k\WR ]  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 -i)ZQCE  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 3):A   
wQe_vY  
参考文献 ?Lyxw]  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). &?q/1vLa  
lTd #bN  
进一步阅读 =bHD#o|R  
VY~yg*  
进一步阅读 4:|S` jm  
 获得入门视频 
.Nw=[  
- 介绍光路图 cm?\ -[cV  
- 介绍参数运行 5[A@gw0u  
 关于案例的文档 #a<Gxj  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens c2&q*]?l;  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens QlJ)F{R8il  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing K Pt5=a  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair  /% M/  
:a$\/E=  
u/M+u;  
QQ：2987619807