[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） naHQeX;  
*\M$pUS{  
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 @}8~TbP  
&-hz&/A,  
yt@;yd:OEk  
s;9>YV2at  
简述案例 @7fx0I'n  
H/I1n\  
系统详情 |_ADG  
 光源 4L`<xX;:{  
- 强象散VIS激光二极管 0Gr^#`  
 元件 $}TK,/W  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） U^@8ebv  
- 具有高斯振幅调制的光阑 }R\9ybv  
 探测器 jO9w7u6  
- 光线可视化（3D显示） ui[E,W~  
- 波前差探测 p#  4@  
- 场分布和相位计算 DJGq=*  
- 光束参数（M2值，发散角） TA"4yri=7x  
 模拟/设计 -{=c T?"+  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Wi5rXZS  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 1yg5d9  
 分析和优化整形光束质量 5e|2b] f$  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析
9cO m$  
*}n)KK7aT  
系统说明 AvxP0@.`  
%dN',  
CL%+
`c0  
模拟和设计结果 Onqd2'%<  
M.(shIu!+  
数值探测器结果
Vjc*D]  
D{J+}*y  
>JWW2<  
"92Z"I~1  

`H7V['
 
总结 |K jy4.2  
sA}Xha  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ^UJ#YRzi  
1.模拟 JBCJVWUt  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 "\:ZH[j  
2.评估 ~nSGN%  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 +~H mP
Q  
3.优化 #SR"Q`P  
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。 x|6# /m  
4.分析 /P8`)?f~y  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bns([F  
9W~
3E^x  
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。 EXrOP]Kl  
y9>?  
详述案例 [8b,}i 1  
5ZPe=SQ{  
系统参数 ju@5D h  
qUMM}ls  
案例的内容和目标 eL7rX"!  
[)ybPIv]  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 yQ3*~d~U|L  
v.aSf`K  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ZYBK'&J4m  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 7fB:wPlG;  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 z3lMD'uU3  
6EeUiLd  
模拟任务：反射光束整形设置 1 ^k#g,  
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。 ZV=)`E`I|  
GsG9;6c+u  
z+J4XpX0,  
Hsoe?kUHF  
<<Fk[qMA  
6}vPwI  
规格：像散激光光束 :e&P's=
 
/wjL<  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 m9Z3q ;  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 P]pVYX#m  
gXR1nnK  
x7s75  
r}gp{Pf7e  
ON$^_l/c  
pFu3FUO*;  
规格：柱形抛物面反射镜 zqq$PaH*  
                         b~Qd9Nf  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ">? y\#OA  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 nsq7,%5  
 曲率半径等于焦距的两倍 D:uBr|('  
$X%w9le  
e:BKdZGW  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） /}]Irj
4m  
LZ@4,Uj  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 @nJ#kd[  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） RyGce' q  
 离轴角决定了截切区域 Mb I';Mq  
%rz.>4i)(  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 27;t,Oq}  
!50Fue^JM  
   sQT0y(
FW  
YdgaZJs  
光束整形装置的光路图 kpkN GQ2  
V9 pKbX  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 &}1PH%6  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 PZQb.QAn  
\h%/Cp+p  
反射光束整形系统的3D视图 ~CQYF,[Th  
H1,;Xrm  
K"cN`Kj<*-  
B6gSt3w.  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 r lalr+Rf  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 [Ng#/QXk{  
_RFTm.9&  
详述案例 RNyw`>  
e+z_Rj%Y;I  
模拟和结果 F3\'WQh  
<Gy)|qpK[  
结果：3D系统光线扫描分析 /\-qz$  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 fjUyx:  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 K h}Oiw  
i;1aobG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd r^?Qo  
s|U=_,.  
使用参数耦合来设置系统 TR8
<=  
1/Pou)D  
w.gI0
`  
自由参数： s@sr.'yU  
 反射镜1后y方向的光束半径 ;zD1#dD
 
 反射镜2后的光束半径 a_YE[6  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） *dn~-W.  
 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。 :XK.A   
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 VRYj&s'@  
ZZf-c5g  
@N`) Z3P+  
'aQ"&GX@  
Si#b"ls'  
1&~u:RUXe  
:,$:@  
自由参数： 9-Bp=M  
 反射镜1后y方向的光束半径 i0ax`37  
 反射镜2后的光束半径 !5Ko^:+Y  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /s3AZ j9  
 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。 Iaf"j
2B  
sO~:e?F  
+53 Tf  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Lrgv:n  
j4L )D  
>-YP

CW  
结果：使用GFT+进行光束整形 agqB#,i  
@Iz vObK  
e%w>QN`  
k:nR'TI  
A.<HOx&#  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 klduJT >  
W is_N3M  

$j*j {}K  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 zhbp"yju7  
UH1AT#?!W  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 TTaSg\K  
'f9fw^  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： cg$@x\fJ  
5 T1M:~u i  
 6RV]9  
*R.Q!Lv+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0[@9f1Nk4  
TN}YRXtW+  
结果：评估光束参数 8;YeEW5  
3!M;Z7qF]  
[$_d|Z  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 60P^aj$V  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 YB/A0J  
GUJ[2/V~A  
S?Q4u!FC  
 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。 1\:puC\)  
 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） ;hi+.ng_  
:SilQm*Pl  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd L DD^X@q  
d:C-   
光束质量优化 mHjds77e  
Q.Hy"~  
7Wb:^.d g  
 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。 Kl<qp7o0  
 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）。 s0"S;{_#  
u1a5Vtel  
结果：光束质量优化 m`!C|?hu  
}R:eKj  
57e'a&}e  
 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。 =s`\W7/;{-  
{"l_x]q  
z"8%W?o>  
; mF-y,E  
 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。） 2@ vSe  
~TCz1UWV  
`2\vDy1,j  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd }Z*@EWc>  
>=-w2&  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 4`5jq)  
/v"u4Ipj  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 =vLeOX  
k L2(M6m  
8qL*Nf  
 这意味着参数变化是的正态 UA$ XjP  
| Zx  
$6w[h7  
laN:H mR8  
u5^fiw]C  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 A\Rkt;:  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 mw)KyU#l,:  
[<P(S~J  
S'qEBz  
h}fz`ti U  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run {#N](yUm  
"1>I/CM  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） q y7
3  
@G< J+pm  
wjW>#DE  
=jIB5".  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 S05+G}[$  
^T`)ltI]V  
总结 s7=CH  
2='gC|&s6  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3Z#k9c_b  
1.模拟 )$K )`uqb  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ?.E6Ube  
2.研究 j|"#S4IX)F  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 OcQ>01
Q  
3.优化 'PRsZ`x.  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 (@*[^@ipV  
4.分析 >2l1t}"\  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 }eh<F^  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 P F#+G;q;  
n{JBC%^g  
参考文献 }}y$T(:l  
[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). NNSHA'F,.\  
j\& `  
进一步阅读 =Tv|kJ| j  
nN1\  
进一步阅读 K|nh`r   
 获得入门视频 Yl%1e|WV  
- 介绍光路图 ^6j:
lL  
- 介绍参数运行 Iko1%GJ1Z  
 关于案例的文档 rZ`ob x\S  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 9qS~-'&q#  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens vI3L <[W  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 0o~? ]C  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair Z18T<e  
vw VeHjR  
Vm}OrFA  
QQ：2987619807