[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） <U
c  
fB 0X9iV6j  
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 ?AH B\S  
g;Zy3   
LJ K0WWch  
iuA_Jr  
简述案例 gquvVj1oT  
k?rJGc G  
系统详情 *I[tIO\  
 光源 }>EWFE`  
- 强象散VIS激光二极管 6FN#Xg  
 元件 Dr76+9'i  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Bg] %  
- 具有高斯振幅调制的光阑 o70] F  
 探测器 l"7#(a  
- 光线可视化（3D显示） RL)~J4Y  
- 波前差探测 cvQAo|  
- 场分布和相位计算 @j"6f|d  
- 光束参数（M2值，发散角） NwxDxIIH/)  
 模拟/设计 @t;726  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 :>/6:c?atG  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： LJom+PxF$x  
 分析和优化整形光束质量 /::Y &&$f  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 wFMw&=j  
~4|Trz2T  
系统说明 E*IP#:R  
9 r&JsCc  
xQ2:tY#?  
模拟和设计结果 AF8:
bk,R  
.lq83; k  
数值探测器结果 &YcOmI/MM  
=6+99<G|%M  
pp@B]We  
yn"4qC#Z  
T--%UZD]W  
总结 hu1ZckIw?  
x7Gf):,LK
 
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 `23][V  
1.模拟 :5.F
 
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 l^$'6q"  
2.评估 }%-iJ\  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 J3(E{w8Q  
3.优化 ,QpFVlPU  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 YaL:6[6  
4.分析 5@-H8*  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Y9>92#aME  
a
L`wz !  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 h5pfmN\-5  
@g4o8nH}  
详述案例 hF$qH^-c*A  
N>,`TsUwW  
系统参数 zsd1n`r  
Lr5{c5M  
案例的内容和目标 W&:0J  
0?(uqjD:  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 oP9 y@U  
dq`{fqGl  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 *z)gSX  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 EFl
jUT?&  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 beC%Tnb7  
dS3\P5D.*c  
模拟任务：反射光束整形设置 -*MY7t3  
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。 @4D{lb"{  
)5LT!14  
w$AR  
[U8/nT  
ZJQFn  
<+-n lK4  
规格：像散激光光束 jx}'M$TA  
ooUVVp  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 zfv@<'  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 VXWV Pj#  
Z\EA!Cs3  
m7g*zu2#  
}O>1ta
uI  
cS7\,/4S  
(lV
My\  
规格：柱形抛物面反射镜 pR93T+X  
                         nEd "~  
 有抛物面曲率的圆柱镜
YCh`V[0  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 MiIxj%,(  
 曲率半径等于焦距的两倍 |xcC'1WU  
?o?$HK  
H"8B4~*7H  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） H.4ISmXU  
h!%y,4IBR  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 T+@i;M   
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Ca5#'3Eh  
 离轴角决定了截切区域 <tFq^qB  
9!Q ZuZY  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Ht(TYq  
g^(gT  
   T`fT[BaY  
<_<zrXc]  
光束整形装置的光路图 U\H[.qY-  
IRx%L?  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 5~?6]=hl  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 ,o%by5j"^N  
&d2L9kTk  
反射光束整形系统的3D视图 CU\gx*=E  
1b3k|s4   
1g{}O^ul  
'Xj^cX  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 I<D7Jj  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 03v+eT  
6384$mT,S  
详述案例 {{Ox%Zm  
Z/G#3-5)p  
模拟和结果 g^+p7G  
CO@G
%1#  
结果：3D系统光线扫描分析 AZc=Bbh  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 <ytzGDx  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :G@z?ZJ[  
=EFh*sp  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd V
fpT5W<  
c.Hw K\IU  
使用参数耦合来设置系统 0H>gMXWE]  
lr~ |=}^  
XH~(=^/_  
自由参数： g{6jN  
 反射镜1后y方向的光束半径 yjL+1_"B  
 反射镜2后的光束半径 %AA&n*m  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） A/I\MN|  
 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。 ^.8~}TT-U  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 v:4j3J$z  
!;,\HvEZYw  
}6-olVg  
XJeWhk3R9  
+S0aA W
al  
mP }<{oh`x  
>4luZnWMI  
自由参数： 56<UxIa~  
 反射镜1后y方向的光束半径 7yyX8p>  
 反射镜2后的光束半径 #%nV\ Bl  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） uPl}NEwU|  
 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。 KLW5Ad:/rI  
\f^xlX3&`  
7>gjq'0  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 %50)?J=zB  
z8t;jw  
W..*!UGl  
结果：使用GFT+进行光束整形 3JQ7Cc>  
@ !su7  
Dch\k<Te  
tNr'@ls  
lM4Z7mT /  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 rN|=cn  
l%_K
$$C  
^PNDxtd|v  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 a`xAk^w+  
\h=*pAf  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 hQj@D\}  
q-;Y }q  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Y|r7gy9%  
41Q5%2  
R`<2DC>h9  
*z69ti/ t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd I?PqWG!O  
z7IJSj1gQI  
结果：评估光束参数 ?}8r h%  
`OMX
9i  
Ny7*MZ-  
 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。 /Z?o%/bw:  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 =U*D.p*%f  
9qCE{[(  
3,q?WH%_  
 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。 \7b, Mz!  
 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） \:{K",2  
2 G_KTYJ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd d]s^?=gM  
C`_/aR6  
光束质量优化 _:Xmq&<W  
b/a\{  
*tj(,:!  
 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。 [(x<2MTj  
 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）。 3ArHaAv{y  
x@q.u3o9  
结果：光束质量优化 nC,QvV  
W{'hn&vU  
rmA?Xlh\  
 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。 'k\j[fk/K  
ZcjLv  
YRVh[Bqg`  
EQlb:;j  
 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。） :lo5,B;k  
P _fCb  
%Ve@DF8G  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 0yC~"u[N Y  
5]I)qij q  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 4Pc-A  
Q/?`);  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 gNP1UH4m  
Ty
&1
R?  
<}[ !k<  
 这意味着参数变化是的正态 bgBvzV&'8  
BkB_?^Nv8  
Rs"=o>Qu  
*$%~/Q@]  
E{ c+`>CY  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 \0 h>!u  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 x+4K,r;  
UAXp;W`  
95#]6*#[4!  
T2Z$*;,>T  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
G 0pq'7B  
H(.9tuA  
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） m   uO.  
HcIJ&".~  
z{OL+-OY  
5PeYQ-B|  
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。 m]U  
_@>*]g  
总结 MV$E_@pg  
]>)shH=Yx
 
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 j;}-x1R  
1.模拟 &q|
vvF<G  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 j7&#R+f  
2.研究 )x\%*ewY  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。  m,+PYq  
3.优化 E8kD#tL  
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。 >mA]2gV<a  
4.分析 BEb?jRMjLg  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 Qc*p+N+$  
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。 Te}gmt+#%  
UNb7WN  
参考文献 (ww4(  
[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). 2i6=g<  
vT{(7m!Ra  
进一步阅读 >(H:eRKq  
r&R~a9+)  
进一步阅读 Cu%BU}(  
 获得入门视频 ]g$ky.;  
- 介绍光路图 v0) %S  
- 介绍参数运行 N:3=G`Ws  
 关于案例的文档 }Jh.+k|_  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens l,Q`;v5|  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens U>!TM##1QD  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing xS@jV6E~  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair  j7_,V?5z  
STu(I\9  
Pn4.gabE  
QQ：2987619807