[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） I,z"_[^G  
1Y2a*J  
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 7\ZL  
_6/Qp`s  
~:s!].H  
"#J}A0  
简述案例 $WM8tF?H  
y(ldO;.  
系统详情 6%z`)d  
 光源 DMRs}Yz6  
- 强象散VIS激光二极管  z8tt+AU  
 元件 t3M0La&  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ^zkd{ov  
- 具有高斯振幅调制的光阑 @+Pf[J41  
 探测器 ]:Wb1  
- 光线可视化（3D显示） `ITDTZ J  
- 波前差探测 1dXh\r_n  
- 场分布和相位计算 p\)h",RkA  
- 光束参数（M2值，发散角） i|[S5QXCh  
 模拟/设计 f3\w99\o  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 g;ct!f=U  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： }"g@E-]N  
 分析和优化整形光束质量 d OzO/w&  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 8Y]u:v  
@D2`*C9  
系统说明 vatx+)  
bwT"$Ee  
%{c2lyw  
模拟和设计结果 H?ieNXP7{  
8g&uE*7N  
数值探测器结果 F'fM?!(  
Q&tFv;1w6  
]IL3$eR  
Ab/v_mA;  
7Ljs4>%l9j  
总结 FP0<-9DO  
QZ_nQ3K  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 D_]i/ F%  
1.模拟 eDvXU_yA  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 48W:4B'l9  
2.评估 %_cg|yy  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 NN?Bi=&9  
3.优化 -{.h\  
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。 V:$[~)k8  
4.分析 a^(S!I  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 b'i%B9yU:%  
u_$6LEp-  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 D}3cW2!9  
{5?!`<fF  
详述案例 *T1L)Cp  
L+`}euu5  
系统参数
5LnB]dW  
Y>c5:F;  
案例的内容和目标 C _k_D  
-uS7~Ww.a  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 mk$Yoz  
>V77X+!  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 +X4tt
v  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 J:k@U42  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 xQcMQ{&;  
4c9-[KKCV  
模拟任务：反射光束整形设置 ZnxOa  
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。 \Mh4X`<e  
7zi^{]  
Ji)a%j1V9  
A_8`YN"Xk  
bDcWb2lqs  
S@l a.0HDA  
规格：像散激光光束 @vDgpb@TM  
4B%5-VQ  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 'R-JQE-]  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ahz@HX  
` Mv5!H5l  
'3Y0D1`v  
J/H#d')c  
'8((;N|I^  
3L\s8O  
规格：柱形抛物面反射镜 8#d99dOe  
                         C'xU=OnA8  
 有抛物面曲率的圆柱镜 cfQh  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 z;Gbqr?{{  
 曲率半径等于焦距的两倍 '+GVozc6c"  
N1B$G  
.LhbhUEfn  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） tS*^}e*  
UC<[z#]\;  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ^me}k{x  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） oVxV,oH(  
 离轴角决定了截切区域 U_=wL  
F
cbA)7dD  
规格：参数概述（12° x 46°光束） {?kKpMNNn  
WhVmycdv  
   (J?}eb;>n  
_tR.RAaa"  
光束整形装置的光路图 lpX p)r+  
T(fR/~:z?  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 [F9KC^%S  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 eG2qOq$[  
K:Xrfn{s  
反射光束整形系统的3D视图 }Rf:DmPE  
He$mu=$q{  
O(sFs1  
[laL6  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ezNE9g  
 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）。 8b#Yd  
C">=2OO  
详述案例 t+TbCe  
![."xHVeL  
模拟和结果 FlA$G3  
c6}xnH  
结果：3D系统光线扫描分析 v!v0,?b*  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 H)}1
xQ{3F  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ch2e#Jf8  
7{/:,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4)I/\  
VRN9yn2  
使用参数耦合来设置系统 Wx\"wlJ7.3  
E0?\DvA  
uB)6\fkTB  
自由参数： 9j>sRE1  
 反射镜1后y方向的光束半径 4uE5h~0Z  
 反射镜2后的光束半径 Q)|LiCR,  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） keq[6Lv  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 5Vm}<8{  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 +cOI`4`$  
TH}ycue  
@p'v.;~#  
u5)A+.v  
aw@Aoq  
4lKbw4[a  
"5DAGMU  
自由参数： aFm]?75  
 反射镜1后y方向的光束半径 :?XHZ
  
 反射镜2后的光束半径 V6!73 iY  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0FR%<u  
 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。 q,>F#A'  
Z*Hxrw\!0  
*9:6t6x  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 %T*+t"\)  
u~T$F/]k>  
OcS`Fxs  
结果：使用GFT+进行光束整形 fvAV[9/-  
\ A UtGP  
w`!foPE  
S^"e5n2  
uV:uXQni``  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ?m7"G)  
>-o:> 5  
9: |K]y  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ^
znv[  
vo<#sa^,j  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 Fmle|  
64j 4P 7  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： v})
Ti190  
+rw3.d  
fJlN'F7  
H+&w7ER  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bh"v{V`=0  
m@2xC,@  
结果：评估光束参数 M!XFb  
U)1qsUDF  
C`<} nx1  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 m95$V&  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 hLD;U J?S  
$^aXVy5p  
w%-!dbmb%  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 C$;s+ALy[  
 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） KgAX0dM  
Y6DiISl  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd s1apHwJ -  
uM<+2S  
光束质量优化 3VBV_/i;  
b!P;xLcb  
&t:MWb;  
 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。 7B2Og{P  
 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）。 SLB iQd.  
Vta;ibdeqW  
结果：光束质量优化 o=2`N2AL  
>c>ar>4xF  
UVU*5U~  
 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。 ,$[lOFs  
7+-}8&syu  
ebVfny$D  
_)" 5 gv  
 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。） iW$i%`>  
^Wz{su2  
ZSb+92g{L$  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 41D[[Gh  
)U`kU`+'  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 NU*6iLIq|F  
u)MA#p {  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Jev.o]|_,  
]qRz!D%@^  
U]3JCZ{]0E  
 这意味着参数变化是的正态 1S#bV} !  
htlWC>*  
emO!6]0gJ  

u%'22q$  
%.Y`X(g6/  
 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。 j* ?MFvwE  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 xGPv3TLH^  
xB[# a*  
#2=30  
h {btT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run K)Ka"H  
PxY"{-iAM  
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） $a1.c;NE'  
}]@ "t)"  
-fn~y1  
Iqv 5lo .  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 |Dli6K
N  
Jy$-)  
总结 v4^VYi,.-  
#=m5*}=  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =p:6u_@XWj  
1.模拟 ;kA2"c]m  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 v\u+=}rl  
2.研究 4Qs#ws])  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 }=5(*Vg  
3.优化 WOoVVjMM  
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。 xRmB?kM3]5  
4.分析 )VrHP9fu  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
u]-$]zIH  
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。 :PJjy6,1  
)JON&~C  
参考文献 &[xJfL  
[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). ~C3-E %h@Z  
elQ44)TrQ  
进一步阅读 B{<6&bQ  
$TiAJ}:  
进一步阅读 &40dJ~SQ  
 获得入门视频 gUlZcb  
- 介绍光路图 >FO=ioNY  
- 介绍参数运行 NO)*UZ  
 关于案例的文档 ?e*vvu33!  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens M_Dk
juR  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens XCY4[2*a>  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing !+U.)u9 '  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair +=v|kd  
?/D#ql7  
O4{&B@!  
QQ：2987619807