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    [分享]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 正序阅读 楼主  发表于: 2020-11-17
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) G V%@A  
    zl$z>z)  
    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 s5oU  
    Xl/2-'4  
    [?F]S:/i  
    k; vhQ=  
    简述案例
    u=sZFr@m[  
    /Xw wB  
    系统详情 \_|r>vQ  
    光源 01o,9_|FL  
    - 强象散VIS激光二极管 <*DP G\6Ma  
     元件 'h;x>r  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) <_-8)abK  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 jR{Rd}QtQ  
     探测器 RTeG\U  
    - 光线可视化(3D显示) Yx<wYzD  
    - 波前差探测 TRQH{O\O  
    - 场分布和相位计算 /7Ft1f  
    - 光束参数(M2值,发散角) mf)E%qo  
     模拟/设计 n; *W#c  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 rfhvdwwD  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): oOHr~<  
     分析和优化整形光束质量 @8V~&yqq  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 *\F,?yU  
    (Kaunp5_`  
    系统说明 d]QCk &XU  
    - x]gp5  
    1<3!   
    模拟和设计结果 Zcxj.F(,  
    gD/% l[  
    XLsOn(U\&  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 {Qj7?}xW  
    P};GcV-  
    >X-*Hu'U#  
    RaLc}F)9   
    7NDjXcuq  
    总结 .?p\=C@C+  
    Z|qUVD5Ic  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #[ch?K  
    1.模拟 MuQ'L=iJ  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 d3K-|  
    2.评估 ]~-vU{  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 rLOdQN  
    3.优化 F otHITw[  
    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。 JLH,:2  
    4.分析 Z@b GLS  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 (YH/#n1"{  
    !E|k#c9  
    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。 t`y*oRy  
    A%c)=(,  
    详述案例 #Bgq]6G2  
    7JHS8C<]  
    系统参数 J=C63YB  
    "ZLujpZcG  
    案例的内容和目标 #-Ad0/  
    JDy;Jb  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 nlkQ'XGAI  
    8x9$6HO  
    Ee?+IZ H7|  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 1-bQ ( -  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 :u$+lq  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 9x40  
    GxR, 3  
    模拟任务:反射光束整形设置 $ZOKB9QccC  
    引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统,此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 (&a<6k  
    A, )G$yT\  
    Vt!<.8&`  
    j$8i!C  
    :9Vd=M6,  
    0fd\R_"d.  
    规格:像散激光光束 >`@yh-'r  
    k v}<u  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 AIXvS*Y,  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 qJ|n73yn  
    EdPN=  
    X}5aE4K/  
    oYG].PC  
    T"GuE[?a  
    Q:x:k+O-  
    规格:柱形抛物面反射镜
    z]YP  
                             ^3-Wxn9&  
     有抛物面曲率的圆柱镜  yq ?_#r  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 N&0MA  
     曲率半径等于焦距的两倍 elgCPX&:W  
    $DfaW3bJ  
    !vQ!_|g1  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) x Qh?  
    ZHs hg`I`  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 :8_`T$8i4  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) {1GW,T!#  
     离轴角决定了截切区域 sK:,c5^  
    ?CS jn  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) vII8>x%*  
    *x| <\_+  
       6,xoxNoPP3  
    \QUvImT  
    光束整形装置的光路图 er5}=cFZ  
    5Ag>,>kJ6  
    qD\%8l.]Z  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 ]tZ5XS  
     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。 bIm$7a`T  
    'w%N(Ntq  
    反射光束整形系统的3D视图 2vnzB8 "k  
    LM'` U-/e$  
    6\,^MI  
    *:.0c  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Gx ZQ{ \  
     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)。 Wsz='@XvB  
    ?<frU ,{  
    详述案例 |->y'V  
    QBsDO].J<  
    模拟和结果 _ga!TQ:  
    z%/ww7H  
    结果:3D系统光线扫描分析 M]` Q4\  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 \Di~DN1  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 p>eD{#2  
    QrA8 KSLC  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8)POEY4  
    el|t6ZT*  
    使用参数耦合来设置系统 l!AZ$IV  
    ^YIOS]d>8#  
    qk,cp},2K  
    自由参数: Mqh~5NM  
     反射镜1后y方向的光束半径 h5F'eur  
     反射镜2后的光束半径 tiE+x|Ju"  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) , ;d9uG2  
     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。 '6 'XBL?  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 j=AJs<  
    ;W+-x] O  
    Fo G<$9  
    _@OYC<  
    QNJG}Upl  
    E7h}0DX  
    kTk?[BK  
    自由参数: ^r& {V"l]  
     反射镜1后y方向的光束半径 .E}});l  
     反射镜2后的光束半径 7}x-({bqy  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) Ur-^X(nL  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 *"CvB{XF&Z  
    jF;4 8g@^  
    /< :; ^B  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 72,iRH  
    P8VU&b\  
    0 \#Q;Z2  
    结果:使用GFT+进行光束整形 heKI<[8l  
    JJ~?ON.H  
    6-=_i)kzq  
    JB(;[#'~  
    bevT`D  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 YzZF^q^I  
    RrHnDO'  
    4PWr;&  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 g,:N zb  
    eC$v0Gtq  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 3I5WDuq  
    Ng"vBycy  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: HUC2RM?FN  
    faq K D:  
    >D/~|`=p  
    OkZ!ZS h  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd WO-WoPO  
    k^pu1g=6I  
    结果:评估光束参数 "Cc"y* P  
     W6O.E  
    %20-^&zZ  
     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。 > bF!Y]H  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 cf'}*$[S  
    }qv-lO  
    vB5iG|b}  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 6wB>-/'Y  
     M2值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M2值是由光束偏离引起的) ;CMC`h9,  
    Sqf.#}u<=  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd hZWK5KwT  
    X&s\_jQ  
    光束质量优化 j{R|]SjW2H  
    `U_>{p&x  
    Z 034wn\N  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 d4>-a^)V  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    2{kfbm-89t  
    q>(u>z!  
    结果:光束质量优化 xO<-<sRA  
    ,XG|oo -  
    Ym{%"EB  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M2值在两个方向上几乎都是1。 u AS8F=9xP  
    liw 9:@+V  
    ^xw [d}0 S  
    b/,!J] W  
     然而,光束半径是略有减少。(光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。) x";.gjI |g  
    x]><}! \<&  
    2<o[@w  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd qVD!/;l  
    =R;1vUio  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 B%rr}Ro1e  
    7R<u=U  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 e4YfT r  
    _HHJw""j  
    aQ&8fteFR  
     这意味着参数变化是的正态 {iIg 4PzrU  
    %{~mk[d3  
    D0y,TF  
    },EUcVXk  
    _h=< _Z  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 F `pyhc>1;  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 6 ,pZRc  
    YNgR1 :l  
    l`FR.)2h  
    9Ajgfy>  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run v>y8s&/  
    _ 2gT1B  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) z^!A/a[[!  
    ?V5Pt s  
    )_X xk_  
    )-9w3W1r  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 dy6F+V\DG  
    W:{PBb"x8  
    总结 z)W#&JFF  
    g?A5'o&Yu  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 uU[[[LQq  
    1.模拟 Ca5Sc, no  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 |Y8Mk2,s  
    2.研究 Q9eYF-+  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 ;!0.Kk 4  
    3.优化 APQQ:'>N4~  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 qD$GKN.  
    4.分析 Qor{1_h)+9  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 q]iKz%|Z/  
    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。 @wB'3q}(  
    >d27[%  
    参考文献 rtYb"-&  
    [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). lNA'M&  
    0XR;5kd%  
    进一步阅读 =N*%f%  
    :@QK}qFP  
    进一步阅读 [TbG55  
     获得入门视频 N.5KPAvg%  
    - 介绍光路图 , Y g5X  
    - 介绍参数运行 s;-78ejj7  
     关于案例的文档 vh. Wm?qQ  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens mV**9-"  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens liugaRO8J  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing "9U+h2#]  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair ^:cb $9F  
    o&hKg#nO83  
    y?*[}S  
    QQ:2987619807
     
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