[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

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[  
/XwwB  
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[  
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@bGLS  
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$6HO  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 1-bQ ( -  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 :u$+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}5a
E4K/  
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?  
ZHshg`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  
 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。 GxZQ{ \  
 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  
QrA8KSLC  
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  
FoG<$9  
_@OYC<  
QNJG}Upl  
E7h}0DX  
kTk?[BK  
自由参数： ^r& {V"l]  
 反射镜1后y方向的光束半径 .E}});l  
 反射镜2后的光束半径 7}x-({bqy  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Ur-^X(nL  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 *"CvB{XF&Z  
jF;4 8g@^  
/< :;^B  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 72,iRH  
P8VU&b\  
0\#Q;Z2  
结果：使用GFT+进行光束整形 heKI<[8l  
JJ~?ON.H  
6-=_i)kzq  
JB(;[#'~  
bevT`D  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 YzZF^q^I  
RrHnDO'  
4PWr;&  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 g,:Nzb  
eC$v0Gtq  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 3I5WD
uq  
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  
Z034wn\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。 uAS8F=9xP  
l
iw 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  
7
R<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,T
F  
},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  
)_Xxk_  
)-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 Q9eY
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。 ;!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). l
NA'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