[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） [fs.D /  
\VypkbE+  
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 l7Wdbx5x0  
\3hFb,/4k  
1bjWWNzQA  
r?pN-x$M=  
简述案例 _,f7D/dq  
nB}eJD|  
系统详情 6QNZ/Ox:  
 光源 <S12=<c?'  
- 强象散VIS激光二极管 }*vE/W  
 元件 o)'06FF\$  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） }}oIZP\qM  
- 具有高斯振幅调制的光阑 };f^*KZ=0  
 探测器 H8m[:K]_H  
- 光线可视化（3D显示） SPauno <M  
- 波前差探测 ?.c:k;j  
- 场分布和相位计算 =%B}8$.|  
- 光束参数（M2值，发散角） Sae*VvT6  
 模拟/设计 o?I`n*u"X  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 2;w> w#}>  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： U? ;Q\=>  
 分析和优化整形光束质量 Fu[GQ6{f  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 MVEh<_  
z9v70 q  
系统说明 |\)Y,~;P  
(
@bq@0g  
Fw^^sB  
模拟和设计结果 +;bZ(_ohG  
biU ?>R  
数值探测器结果 /74)c~.W  
|`+ (O  
o<5+v^mt#  
lQ4$d{m`  
gOp81)  
总结 Bm6tf}8  
XG5"u  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 om6`>I*  
1.模拟 XRP+0=
0  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 q77Iq0VR  
2.评估 +Q"XwxL<6  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 "5<YN#  
3.优化  l .m #  
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。 "kKIv|`  
4.分析 jV<5GWq  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 QJI]@3 Y  
%~0]o@LW7  
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=7LP  
q35=_'\W  
详述案例 <1`MjP*w  
&7Xsn^opku  
系统参数 {&FOa'bP  

ppeF,Q  
案例的内容和目标 7}(YCZny5  
'G`xD3 E3,  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 46H@z=5  
fS%B/h=  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ZR8y9mx2"  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ]UZP dw1D  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 bKh}Y`  
<irr.O  
模拟任务：反射光束整形设置 6HH:K0j3'  
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。 {l\Ep=O vx  
m`4N1egCt  
P75@Yu(  
%-|$7?~  
u_*y~1^0  
C k/DV  
规格：像散激光光束 'a~F'FN$  
9|K:\!7  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 C]3^:b+   
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 6~6 vwp  
C @P$RVS  
V]Uc@7S/  
r]S"i$  
}xgs]\^,73  
6f+@@=Xc  
规格：柱形抛物面反射镜 8C I\NR{x8  
                         Z,>owoP4  
 有抛物面曲率的圆柱镜 )?(_vrc<  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 *QoQ$alHH  
 曲率半径等于焦距的两倍  &7eN EA  
_gpf9ad  
UUvR>5@n  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） .AF\[IQ  
OSwum!hzN  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 unr`.}A2>  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） QO4eDSW  
 离轴角决定了截切区域 8w~X4A,  
}3-`e3  
规格：参数概述（12° x 46°光束） -8SZ}J  
3RI%OCGF  
   uzS;&-nA  
r6nWrO>y  
光束整形装置的光路图 |#B)`r8  
V7k!;0u v  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 p<B*)1Tj0  
 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。 I"D}amuv  
d\tA1&k71  
反射光束整形系统的3D视图 Uu|R]azbO  
/^`do3a}  
/@",5U#  
98CS|NEe  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 6L-3cxqf\  
 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）。 \M*c3\&~,e  
YIHGXi<"n  
详述案例 \{o<-S;h  
#_:%Yd  
模拟和结果 jori,"s  
ra1_XR}  
结果：3D系统光线扫描分析 8P} a  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 161IWos  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Ubh)}G,Mg  
>{"E~U  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &p55Cg@e)  
VrJf g  
使用参数耦合来设置系统 2Xv$
  
, ksr%gR+  
zSBR_N51  
自由参数： RZ?abE8  
 反射镜1后y方向的光束半径 k%;oc$0G-3  
 反射镜2后的光束半径 t1!>EI`  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） -e_pw,5c '  
 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。 1
CS\1[E  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 $WsyAUl  
4@Bl 1b[<  
$/Llzpvny  
QF$s([  
f
/sLQdK,  
_*wlK;`  
HzAw rC
  
自由参数： s=<65  
 反射镜1后y方向的光束半径 ziv*4  
 反射镜2后的光束半径  bDq<]h_7  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 5GURfG3{  
 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。 3E!3kSh|  
t* =i8`8  
|Pv)&'B"  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 tSVS ogGd  
C-^8;xd  
c7]0>nU;  
结果：使用GFT+进行光束整形 B3E}fQm )  
jT4 m(j  
{gB9EGY  
s6Il3Kf  
bj@f<f`  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 NH+N+4dEO  
*b"aJ<+  
JHJ]BMm  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 q<cxmo0
S  
nHQWO   
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 D@m3bsMwe  
b{.Y?.U  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：  8(}cbW  
u&e?3qKX(  
R=S)O.*R  
u0%bv\$m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ksyQ_4^SO  
_TbvQY  
结果：评估光束参数 <=%G%V_s  
O:#/To'  
[f]:hJi  
 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。 N({-&A.N  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Nh^q&[?  
A$l  
Rpxg 5  
 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。 Mz;KXP  
 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） ;7(vqm<V2~  
[=>[2Ty  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd soA] f  
07>D G#  
光束质量优化 "j=E8Dd}  
CT(HTu  
|wyua@2  
 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。 w^[:wzF0  
 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）。 L8KaK  
y/"CWD/i  
结果：光束质量优化 VgS2_TU  

J4?SC+\  
,W>-MPJn[8  
 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。 SGpe\P]k  
}'h\;8y  
Q>TNzh  
d26#0Gt-4i  
 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。） Gg%pU+'T  
J!yK/*sO,  
2nSK}q  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd x)f<lZ^L&H  
AH^'E
 
反射镜方向的蒙特卡洛公差 jgBJs^JgYG  
qKs"L^b  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 (i-L:  
bUc++M
 
o)H| #9h5  
 这意味着参数变化是的正态 1czU$!MV  
ucUuhS5  
;ih;8  
!ozHS_  
E>F6!q
Ym  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 R[H#av  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 `8;\}6:"1  
)a$sx}  
m [BV{25  
P,k=u$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ZC)m&V1  

T )bMHk  
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） aQV?}  
$Y%,?>AL<  
!iUT Re  
}1NNXxQ  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 * K0aR!  
o>I,$=  
总结 N^jr  
+<WNAmh   
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9dp1NjOtAc  
1.模拟
&& WEBQ  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 b>nwX9Y/U  
2.研究 @y,>cDg  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 3*oZol/  
3.优化 ZJHaY09N  
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。 cY.5z:7u~v  
4.分析 ephvvj~zW4  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 `bZgw  
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。 (1%A@4  
HcHwvf6y  
参考文献 r^,"OM]  
[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). JC7:0A^  
8B6-f:  
进一步阅读 ?qb
q\t  
Om2w+yU  
进一步阅读 m|PJwd6  
 获得入门视频 E+Dcw  
- 介绍光路图 [vxHsY3z  
- 介绍参数运行 KuMH,rXF  
 关于案例的文档 2FE
i-m}  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 2W;2._  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens "fu@2y4^  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing %ejq|i7  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair &,$N|$yK}|  
~zQxfl/  
^_uCSA'X  
QQ：2987619807