[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=F-]lD  
>+:r'  
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 Nmp>UE,7[  
p@/(.uE  
]-um\A4f  
*D?((_+  
简述案例 4ZI!,lv*  
\Pl,' 1%  
系统详情 )W8L91-  
 光源 /M^V2=  
- 强象散VIS激光二极管 9Hh~ nR?  
 元件 MSZ!W(7,<  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） gX@nPZjg  
- 具有高斯振幅调制的光阑 u0XP(dH  
 探测器 Ecxj9h,S  
- 光线可视化（3D显示） +{xMIl_  
- 波前差探测 R}DX(T,K  
- 场分布和相位计算 Y
H[XRUa  
- 光束参数（M2值，发散角） H>
?:U]  
 模拟/设计 4%wq:y< )/  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 >`7OcjLg  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： :be:-b%K  
 分析和优化整形光束质量 8jy-z"jc  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 -3.UE^W2  
 3L%WVCB  
系统说明 J3;Tm~KJ_  
g1ZV&X=2  
cMDRWh  
模拟和设计结果 $sEB'>:  

\ Y*h  
数值探测器结果 jg[5UTkcs  
8f?rEI\0GD  
dgS4w@)@V;  
9i0M/vx  
9>N\sOh  
总结 [ njx7d  
[{`)j  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3az$:[Und}  
1.模拟 y7/PDB\he  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 k}D[Hp:m  
2.评估 r4E`'o[  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 }>V/H]B  
3.优化 * [tc  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ZB828T3  
4.分析 i{8]'fM  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 bE?'C h  
uie~'K\y  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 8N%z9b  
R'zu"I  
详述案例 rO0ZtC{K  
I
z#yQ`  
系统参数 Uz 0W <u3v  
#(6) ^ (  
案例的内容和目标 }2lO _i}L  
`dDa}b  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 "Y7+{  
-'6<  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 0<g<GQ(E  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 4otl_l(`yv  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 MY!q%  
=_[2n?9y  
模拟任务：反射光束整形设置 BRb\V42i;  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 wf?u(3
/%  
BDy5J2<<7l  
,yICNtP  
:G-1YA  
M#xQW`-`  
pTWg m\h  
规格：像散激光光束 8h|M!/&2  
uFZ~  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 CM9XPr  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /HkFlf
Pd  
'WQdr(  
:[xvlW29  
(?\?it-  
?q_^Rj$  
}X]\VSF{  
规格：柱形抛物面反射镜
2Z)4(,  
                         (YwalfG {C  
 有抛物面曲率的圆柱镜 {)xWD%  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 9@ndiu[  
 曲率半径等于焦距的两倍 $2KK:{VX  

6\4Z\82  
|O-`5_z$r  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） .k@^KY  
~-_i  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 =q+R   
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） BFWi(58q  
 离轴角决定了截切区域 wiJRCH  
TQf L%JT  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 537?9  
U\jb"  
   dv~pddOs  
M+poB+K.  
光束整形装置的光路图 mu[Op*)  
@TzvT3\q  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 lpy:3`ti  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 19Ww3PvQ;  
i%;"[M  
反射光束整形系统的3D视图
K]/Od  
R>2IRvY(  
0(y:$  
GqLq gns  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Zw{MgoJ0Z  
 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）。 =gjDCx$|  
CqFeF?xd8h  
详述案例 8#X_#  
_?`&JF?*  
模拟和结果 khx.y
Rx  
O9s?h3  
结果：3D系统光线扫描分析 ?Go!j?#a  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 KjYAdia:H  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 1%~[rnQ  
6L9,'Bg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 5\hd4  
j1*f]va  
使用参数耦合来设置系统 T
95t
"g?p  
lp
gd#vr  
G.\l qYrXU  
自由参数： hmC*^"C>U=  
 反射镜1后y方向的光束半径 =\};it{u  
 反射镜2后的光束半径 ?9mkRd}c  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） kn"q:a
D  
 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。 ^/@jwZ  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 .cDOl_z<:G  
Xg7|JS!  
0uvzxmN  
+=BAslk  
"OmD@ EMT  
$s-Y%gc  
`~#<&w  
自由参数： 4!.(|h@  
 反射镜1后y方向的光束半径 (JUZCP/\  
 反射镜2后的光束半径 ZnW@YC#9  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） W!T"m)S  
 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。 M.q=p[  
y<:<$22O  
k;ZxY"^  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 !do?~$Og  
9'[ N1Un.=  
x,n,Qlb  
结果：使用GFT+进行光束整形 o0bM=njok  
U{@5*4  
aEt/NwgiQ  
aUU7{o_Z  
?jx1R^  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 QDx$==Fo  
ZcJ\ZbE|  
PG~$D];  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 -7 U|a/  
PcT?<HU  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 9(4&KZpK  
$za8"T*I  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 5=|hC3h  
*{ {b~$  
^T::-pN*  
<h-vjz  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd sEJC-$  
**3 z;58i  
结果：评估光束参数 Om;&_!
i  
7*5Z  
%Dg0fL  
 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。 RTh`ENCKR  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 &-d&t` `  
o1cErI&q"  
-i yyn^|  
 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。 \R36w^c3  
 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） 5,-U.B}  
)G^ KDj"  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd UcOk3{(z$q  
^.dsW0"0  
光束质量优化 1i[FY?6`dh  
mpPdG  
ojvj}ln  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 /='. 4v  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 /DQaGq/Ld  
ydRC1~f0  
结果：光束质量优化 Sz- Jy:j  
p$Ox'A4  
~T&<CTh  
 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。 F *FwRj  
7(5xL T$  
"j;4 k.`h  
a,2'+Tlo  
 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。） EkgE_8  
={K`4BD  
'EDda  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ?7<JQh)"e  
=jB08A  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 sl]_M  
*%{gYpn  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Oo"^%F~%  
Og,$ sH}`  
<Utnz)  
 这意味着参数变化是的正态 &|f@$ff  
H,Z;=N_  
0 stc9_O  
WI?oSE w  
sCR67/  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 X!e[GJ  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 M$Zcn#A  
J]nohICe  
VeW>[08  
?>I;34
tL(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ?VP8ycm  
0g0i4IV  
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） xlhG,bb7  
a)wJT`xu  
=EHUR'  
{NHdyc$  
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。 |&RU/a  
rg^'S1x|  
总结 0g+'/+Ho 4  
O^oWG&Y;v  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 _lamn}(x0  
1.模拟 xai*CY@cQ  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 eEuvl`&  
2.研究 nih0
t^m'  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 \ExMk<y_&  
3.优化 ,6-:VIHQ  
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。 Tj:B!>>  
4.分析 D)L+7N0D~  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 U4d:] 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。 Qk:
Y2mL  
o,_?^'@  
参考文献 e 9;~P}
  
[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). gt@m?w(  
uG,5BV.M  
进一步阅读 kM,C3x{A  
f&Gt|  
进一步阅读 be.*#[  
 获得入门视频 A
~)D[CV  
- 介绍光路图 bbE!qk;hEP  
- 介绍参数运行 !2ZF(@C/  
 关于案例的文档 YNQY4\(  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens g:hjy@ w  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens k$blEa4  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing gEy?s8_,  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair .+$Q<L  
8WXQOo8  
Sc;BCl{=|  
QQ：2987619807