[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） N)R[6u}  
fnzy5+9"  
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 78n}rT%k1  
!yjo   
~>G]_H]?  
CozKyt/r7  
简述案例 m(D]qYwh  
7k{2Upg;  
系统详情 wbbqt0un  
 光源 t$&Qv)  
- 强象散VIS激光二极管 Gtv,Izt  
 元件 pvWau1ArNq  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） &0N<ofYX  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Pvo#pY^dXX  
 探测器 ?9j{V7h  
- 光线可视化（3D显示） [c K^+s)N  
- 波前差探测 VBoMT:#  
- 场分布和相位计算 # jYpVc{]  
- 光束参数（M2值，发散角） 6,Hqb<(  
 模拟/设计 }pNX@C#De  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 R U"/2i  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： xtV[p4U  
 分析和优化整形光束质量 $*MCUnl  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 a+41|)pt  
*xRc * :0  
系统说明 ~yJ4qp-  
UyYfpL"$A"  
l'4AF| p
 
模拟和设计结果 db=$zIB[:  
hp!d/X=J_  
数值探测器结果 !jX4`/n2  
_fTwmnA  
 GrJ#.  
-
Q e~)7  
;uI~BV*3  
总结 e&Y0}oY  
jdRq6U^  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,#u\l>&$  
1.模拟 O>r-]0DI[  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 a^nAZ  
2.评估 \9c$`nn  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 g1m
-+a  
3.优化 Bl.u=I:Y4  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 U)jUq_LX  
4.分析 *3{J#Q6fk3  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 +`en{$%%  
0Vv9BL{  
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。 ~2}Pl)  
1IH[g*f  
详述案例 Iq'O  
.:1qK<vz  
系统参数 64oxjF)  
<zB*'m  
案例的内容和目标 j\
)H  
Rc$h{0K8  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 _."E%|5  
8:;#,Urr  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 QEJGnl676  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 4KpL>'Q=  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 y0q#R.TOm  
QX0Y>&$)  
模拟任务：反射光束整形设置 W?,$!]0  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 z_SagU,\  
XF,<i1ZlM  
"e62/Ejg%  
] pPz@@xx  
-zfoRU v  
:X>DkRP  
规格：像散激光光束 <)#kq1b?  
Cw1(5  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 jz:gr=*z  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 WYIw5jzC  
w+UV"\!G)Q  
)s")y  
7 ^I:=qc72  
E&2tBrAq  
vZjZb(jlN  
规格：柱形抛物面反射镜 9U<Hf32  
                         _vrWj<wyf  
 有抛物面曲率的圆柱镜 bEpMaBN  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ,b'4CF  
 曲率半径等于焦距的两倍 l
]
5%  
:c4kBl%gJ  
TlPVHJyt  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） m^tNqJs8  
U"5q;9#q  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 B=zMYi  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ~775soN  
 离轴角决定了截切区域 0n5UKtB  
-V=arm\#z  
规格：参数概述（12° x 46°光束） k&GHu0z  
-
9G]x{>  
   9*_uCPR  
epVH.u%  
光束整形装置的光路图 -CU,z|g+  
_T~H[&Hl  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 #v8Cy|I  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 878tI3-  
1q!sKoJ<  
反射光束整形系统的3D视图 ryEvmWYu  
3 jh|y
,  
D44I"TgqD  
^Kw(&v  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 D8/sz`N7Q  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 bOXh|u_3i  
@3 "DBJ  
详述案例 ? ).(fP  
 y h-9u  
模拟和结果 r}@< K  
rk|a'&  
结果：3D系统光线扫描分析 <4NQL*|>  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 bX{PSjD  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 a}D&$yz2  
yHw!#gWM  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd j?J=w=.Nx  
DZAH"
sb  
使用参数耦合来设置系统 }2xb&6g~o  
4H9xO[iM  
fiqj;GW  
自由参数： Vx(;|/:  
 反射镜1后y方向的光束半径 JOHp?3"4  
 反射镜2后的光束半径 L4mTs-M.  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） EEg O  
 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。 m2MPWy5s  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 #ZwY?T x  
ke</x+\F  
s.ey!ew  
EM~7#Y  
k7[)g]u  
Faw. GU  
3DHvaq q7  
自由参数： [M2Dy{dh  
 反射镜1后y方向的光束半径 x k#*=  
 反射镜2后的光束半径 6KBHRt  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） "lb\c  
 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。 #|D:f~"d3  
{&b-}f"m  
lZ+/\s,]|  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 n]Ebwznt-  
6P6Jx;  
(BhL/A 4  
结果：使用GFT+进行光束整形 |W/Hi^YE2  
F6h/0i  
dR?5$V(  
N}1-2  
"N]WL5$i  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 !-@SS>  
5vl2yN  
F.&*D~f  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 9Z}S]-u/  
r]Z.`}Kkm  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ]dQZ8yVK
 
RH1U_gp4 ]  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： @V*a
u:  
/Ir 7 DZK  
!vi4* @:  
~MD><w>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;2 \<M6  
iNMLYYq]l  
结果：评估光束参数 H==X0  
DDZTqsws  
$::51#^Wg  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 }:tAKO=+  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 FkLQBpp(x  
I%C]>ZZh  
LjX&',  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 J#_\+G i  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） !G@V<'F  
%Gnd"SGs  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Ni/|C19Z  
30:HRF(:  
光束质量优化 t4*aVHT  
..sJtA8  
k{!iDZr&f,  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 iFXUKGiV  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 =2Pz$q*ub  
:ga 9Db9P  
结果：光束质量优化 N2M?5fF  
 ||bA  
](idf(j  
 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。 _ +u sn.  
t>fA!K%{  
/6?tgr  
1ZGQhjcx  
 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。） bUpmU/RW  
|rG8E;>  
lU
>)
n  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ) >-D={
 
f[wjur  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 `K@5_db\  
S+4I[|T]Y  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 iGpK\oH  
j58Dki->.  
Y,p2eAss  
 这意味着参数变化是的正态 @8T Vr2uy  
Wl@0TUK  
D"1vw<Ak  
_oYA;O  
m7bn%j-{$f  
 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。 VhJyWH%(  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 MV:<w3!  
+"*l2
E]5  
x(T!I&i={  
!ds"88:5^  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run S0X.8Bq  
Al;%u0]5  
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） ~`W6O>  
|R:v<  
xP|%rl4  
]-+.lR%vd9  
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。 
D:S6Mu  
Es ZnGuY  
总结 >"m@qkh  
Oa3=+_C~$1  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 96([V|5K  
1.模拟 9, sCJ5bb"  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 3e!a>Gl*  
2.研究 9Le/'ovq  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 t8a@L(J$  
3.优化 s|rZ>SLL  
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。 : Oz7R:  
4.分析 [f0oB$  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 f"OA Zji  
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。 , L AJ  
bo?3E +B  
参考文献 c=U$$|qHV  
[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). F"HI>t)>  
0wa!pE"  
进一步阅读 (tz_D7c$F  
WP#_qqO  
进一步阅读 0ga1Yr]  
 获得入门视频 6=`m   
- 介绍光路图 p7ns(g@9  
- 介绍参数运行 3R$CxRc:  
 关于案例的文档 odn97,
A  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Jr*S2z<*  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 1Ag;s  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing JWm^RQ  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair z)?#UdBQv  
:6Pc m3  
=-s20mdj  
QQ：2987619807