[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） y]jx-wc3O  
a20w.6F  
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 b\(f
>
g[  
U7g`R@  
b\}a   
>`x|E-X"  
简述案例 7p.8{zQ*  
*B|hRZka1A  
系统详情 ;O hQBAC  
 光源 MeBTc&S<  
- 强象散VIS激光二极管 $\P/ %eP  
 元件 S5hc@^|0Z  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Wa^Wn +r  
- 具有高斯振幅调制的光阑 G!I++M"  
 探测器 zq</(5H  
- 光线可视化（3D显示） :g|.x
  
- 波前差探测 X <xM '  
- 场分布和相位计算 yf:0u_&]  
- 光束参数（M2值，发散角） kc2B_+Y1  
 模拟/设计 H>/,Re  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 j-1V,V=  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： |-=-/u1  
 分析和优化整形光束质量 t`JT  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 g4WmUV#wp  
RkG?R3e  
系统说明 5>9Q<*  
i\IpS@/{-v  
}6[jJ`=gOx  
模拟和设计结果 R9A:"sJ  
@JlT*:Dz  
数值探测器结果 r!!uA1!7  
IMD^(k 2  
!b`fykC  
\>:t={>;  
@M\JzV4 A[  
总结 a^&"gGg  
?/&X_O  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 R WY>`.su  
1.模拟 =r/K#hOR\J  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 <o()14  
2.评估 85# 3|5n  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 G
%~Vb  
3.优化 PNAvT$0LaZ  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 [Z/P[370  
4.分析 8x1!15Wiz  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 BPkMw'a:  
(Yj6|`  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 *m"@*O'  
qE2<vjRg  
详述案例 zk$h71<{.  
+DSbr5"VlB  
系统参数 -!+i ^r
 
,zZH>P  
案例的内容和目标 :gRrM)n  
`{YOl\d_  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 A(&\wd  
yzfiH4  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ]Yt3@ug_f  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ;L87 %P(.  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 xqk(id\&  
K_U`T;Z\  
模拟任务：反射光束整形设置 d >L8SL  
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。 ,Z|O y|+'  
7V=deYt_p  
Nkb%4ofKqu  
N
''xdz3Z  
Qq{t
X  
im<!JMI  
规格：像散激光光束 <8
%+-[(  
u^C\aujg  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ,?U(PEO\f  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 5Zc  
hK4ww"-  
2 br>{^T  
ZD50-w;  
?}^ y6  
>*/ |tL  
规格：柱形抛物面反射镜
xz@*V>QT  
                         )`k+Oyvi<  
 有抛物面曲率的圆柱镜 T:Q+ Z }v+  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Fc=F2Mo?  
 曲率半径等于焦距的两倍 $igMk'%Nmb  
L9hL@  
QN;NuDHN  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） x?6^EB|@  
fm^tU0D
Y  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 %\v  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ,EH-Sf2Cb  
 离轴角决定了截切区域 ]mJ9CP8P1c  
fX:G;vYn  
规格：参数概述（12° x 46°光束） p^{yA"MQ  
tre`iCH~  
   [PrJf"Z "  
kVWrZ>McK  
光束整形装置的光路图 =*4^Dtp  
`h'Ab63  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Qc9
[/4R>  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 |a1zJ_t4  
Zjc/GO  
反射光束整形系统的3D视图 ENYc.$r  
qsN}KgTjg  
K=sk1<>)m  
_n*gj-  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 H6#SP~V  
 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）。 Odt<WG  
{dl@#Tu  
详述案例 }sZy|dd  
>Y3zO2Cr  
模拟和结果 1{xkAy0  
&@&^k$du8q  
结果：3D系统光线扫描分析 dZJU>o'BG  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 i[U=-4 J  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 huin?,eGz  
9mv6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd kx0w?A8-  
^> d"D  
使用参数耦合来设置系统 0"@p|nAa  
\iwUsv>SB  
w/0;N`YB  
自由参数： A.P*@}9  
 反射镜1后y方向的光束半径 d/?0xLW  
 反射镜2后的光束半径 Yj>\WH  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） w^$$'5=  
 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。 MIv,$  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 >&qaT*_g  
BGT`) WP  
7sJGB^vM  
zy9W{{:P(1  
^\PNjj*C i  
Ac,bf 8C  
7 (i\?  
自由参数： ,S3uY6,  
 反射镜1后y方向的光束半径 H: ;S1D  
 反射镜2后的光束半径 H%Sx*|  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 6<Zk%[7t  
 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。 wMiRN2\^  
e]d\S]5  

u z>V  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 8g 2'[ci$q  
Bk4|ik}  
O6!:Qd  
结果：使用GFT+进行光束整形 qB=%8$J  
=$%_asQJ  
rOq>jvy  
*7/MeE6)i  
5NYYrA8,^  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 _k5-Wd5Ypw  
oth=#hfU^  
oMZ|)(7C  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Bdf]?s[]  
\E:l E/y  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 E@ !~q  
6?jSe<4x  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： HFf9^  
cX-)]D  
`lq[6[n  
d[Rs  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd so\8.(7n  
g`zC0~D2  
结果：评估光束参数 >!2d77I  
x\XOtjJr  
/H[!v:U  
 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。 &l1CE19<  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 ,1-#Z"~c  
'x\{sv  
)SFyQ  
 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。 %L;'C v  
 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） !_UBw7Zm  
79
(Px2H2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd be{tyV  
_LSf )  
光束质量优化 })@LvYK  
cn!Y7LVr  
O_wRI\!  
 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。 :>otlI<0t  
 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）。 'gwh:8Xc  

0xg6  
结果：光束质量优化 ('.r_F  
@#5PPXp  
a7Rg!%r  
 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。 qy|si4IU8,  
`JL&x|q o  
VWa;;?IK  
<oWoJP`G  
 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。） gcfEJN4'  
|CFTOe\q  
WH^rM`9  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd p
I|H9  
#r_&Q`!eU  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ,d3
4v*U  
v'zf*]9  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 +p:@,_  
_~E&?zR2>"  
C6C7*ks  
 这意味着参数变化是的正态 \hwz;V.J"  
;eeu 9_$  
[8QE}TFic  
jFBnP,WQ  
F
WbA+{8  
 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。 G}b LWA  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 "ujt:4p@  
-F
j:^q:@u  
mmj6YQ0a  
Ag`:!*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run oLXQ#{([  
%r*zd0*<n1  
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） _ADK8a6%)  
`n!<h,S'2  
Dab1^H!KT  
JUlV$b.)J  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ei8OLcw:x  
'J`%[,@V  
总结 kE
Q${F{  
kOGpe'bV  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 vO)nqtw  
1.模拟 3'WS6B+  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 H[{ch t h  
2.研究 J8"Cw<=O  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 =y/VrF.bV  
3.优化 |'2E'?\/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。 %HJ_0qg  
4.分析 F:CqB|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 nO~TW  
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。 "(+>#  
UUx0#D/U0C  
参考文献 ,zLi{a6  
[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*]L=rC  
j_?U6$xi  
进一步阅读 Y24:D7Q  
B=/*8,u  
进一步阅读 10JxfDceD  
 获得入门视频 PT|W{RlNl  
- 介绍光路图 5s>$  
- 介绍参数运行 Z50]g  
 关于案例的文档 CW Y'
q  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens (s,*soAN  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens }XiS:  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing :G|
Jcl=r  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair $o`N%]  
u8*Uia*vwH  
/._wXH  
QQ：2987619807