[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） g>{t>B%v^K  
&0OH:P%  
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 qKs"L^b  
n`p/;D=?  
<SRo2rjRa  
}+F@A`Bm&  
简述案例 4hW:c0  
. Fm| $x  
系统详情 aUKa+"`S  
 光源 )9+H[  
- 强象散VIS激光二极管 +B4i,]lCx  
 元件 %4w#EbkSS  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） }U**)"  
- 具有高斯振幅调制的光阑 |lh&l<=(f  
 探测器 9<5ii  
- 光线可视化（3D显示） LtK,
_j  
- 波前差探测 Hh%|}*f_,  
- 场分布和相位计算 zvT8r(<n}  
- 光束参数（M2值，发散角） /L` +  
 模拟/设计 S0;s 7X#c  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 5E2T*EXSh  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： xC2y/?  
 分析和优化整形光束质量 
3 op{h6  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 %/RT}CBBsW  
i$H9~tPs  
系统说明 T!>sL=uf  
kM3#[#6$!  
>FL%H=]  
模拟和设计结果 cY.5z:7u~v  
KnUVR!H|  
数值探测器结果 4K >z?jd  
r^,"OM]  
JC7:0A^  
8B6-f:  
iL'j9_w,  
总结 Om2w+yU  
m|PJwd6  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 A#]78lR  
1.模拟 e,l-}=5*P  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 @[]#[7  
2.评估 P-X2A2  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 l<yYfGO  
3.优化 |^OK@KdL1  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 LVJn2t^  
4.分析 I~,bZA  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 4 Z&KR<2Z  
Jl ?_GX}ZY  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 M} Mgz  
SxL/]jWR7  
详述案例 Uf~5Fc1d =  
Eopb##o  
系统参数 BxB B](  
rf]x5%ij  
案例的内容和目标 +(h{3Y|  
%.;;itB  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 vHb^@z=  
-a7BVEFts  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 STz@^A  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ?)7UqVyq  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ~Sx\>wBlc  
CM)
V^k*  
模拟任务：反射光束整形设置 l$m}aQ%h  
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。 i$CF
*%+t  
40 zO4  
0KjCM4t  
rv2;)3/*  
imyfki $B  
\og2\Oh&gH  
规格：像散激光光束 8qoA5fW>  
877Kv);  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 *TPWLR ^  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 D0h6j0r5  
8[
:G/8VI  
hd)WdGJp
  
$}=r45e0K  
K+Pa b ?  
=)J<R;  
规格：柱形抛物面反射镜 uYijzHQyD  
                         wcGv#J],  
 有抛物面曲率的圆柱镜 w^}*<q\  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 dcfwUjp[  
 曲率半径等于焦距的两倍 *pyC<4W  
tMyMA}`  
OXbC\^qo@  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） (*\y  
mB%m<Zo\U  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 1G'pT$5&  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） A>\3FeU>UC  
 离轴角决定了截切区域 Bf" ZmG9  
Q+Eqaz`  
规格：参数概述（12° x 46°光束） D!i|KI/  
juxAyds  
   "tu*(>'~5  
5[~C!t;  
光束整形装置的光路图 !$<Kp6  
Y]i:$X]C?X  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 !e('T@^u6u  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 /9| 2uw`  
S(lqj6aa}  
反射光束整形系统的3D视图 -?Cu-'  
R S] N%`]  
kRH D{6mol  
qipS`:TER  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 2FGCf} ,  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 Bo ??1y  
C}\kp0mz  
详述案例 JC}T*h>Ee  
%h v-3L#V  
模拟和结果 EW/NH&{  
kqGydGh*"  
结果：3D系统光线扫描分析 0\+$j5;  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 )4H0Bz2G  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 {fMo#`9=  
OOYdrv,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd :^]FpUY  
jI$7vmO  
使用参数耦合来设置系统 VYrs4IFT$  
;`Z>^.CB  
r$%,k*X^ k  
自由参数： \3)U~[O>:  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~L.5;8a3Pe  
 反射镜2后的光束半径 {6F]w_\  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 9xL`i-7]  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 x(rl|o  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 51'V[tI;8  
.L^F4  
" pL5j  
/}s#   
5'EoB^`8N~  
CC]q\%y-_  
V_KHVul  
自由参数： T? ,Q=.  
 反射镜1后y方向的光束半径 P+,YWp  
 反射镜2后的光束半径 nDNK}O~'  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） >,f5 5  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 E%$[*jZ  
<O{G&  
s2K8|q=  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ,;yaYF6|/  
j0S[JpoF  
)(yKm/50  
结果：使用GFT+进行光束整形 `Vh&XH\S  
>8injW352  
^{-Z3Yxd  
+sXnC
\  
_Fjax  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Z FIgKWZ'  
dkZ[~hEQG-  
mm N$\2  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ~bfjP2 g  
5%"0  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ),0Ea~LB4  
&lW~ot1,  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： [V;Q#r&+  
5WI0[7  
?<soX8_1  
K?V' ?s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd S?Uvt?  
6!RKZj)  
结果：评估光束参数 ;zi4W1  
S#|5&SR  
B|rf[EI>  
 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。 'zQp64]F  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 a6g+"EcH#'  
ae] hCWK  
u~2
7\oj,  
 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。 $PTl{  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） 5R O_)G<  
6Ou[t6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd nAyyjd3!S  
+4K'KpFzZ  
光束质量优化 Y^,G} &p  
TzsNhrU{  
xQ8?"K;iX  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 _^Q =n>G  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 )H<F([Jri  
(M,*R v  
结果：光束质量优化 -}Gk@=$G  
9icy&'  
zA&]#mc  
 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。 ](^BQc  
aP +)  
uh~,>~a|  
K$~Ja  
 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。） q]z%<`.9*  
<{A|Xs  
1.q a//'RW  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ~H`(zzk  
U("m}^  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 YDiru  
)cxML<j'  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 _6MNEoy?  
?r(Bu  
08;t%[R  
 这意味着参数变化是的正态 r`d.Wy Zj  
@m ?&7{y#?  
m-}6DN  
r!O4]j_3  
8J+:5b_?  
 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。 *qL"&h5W  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 aZYs?b>Gm  
"pkn  
|PW.CV0,  
2W=am_\0e.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run H%`|yUE(  
ewzZb*\  
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） [}=/?(5  
xouy|Nn
'  
`1)n2<B  
he1W22  
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。 zu|=1C#5h  
gIaPS0Q
 
总结 dnUiNs8  
;l2pdP4
jf  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 eXZH#K7S#  
1.模拟 N"#=Q=)x  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 %4HpTx  
2.研究 Dh{sVRA  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 p}R3AJ  
3.优化 ]{'lV~fc  
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。 G[!Y6c3  
4.分析 a76`"(W
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 :6X?EbXhK  
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。 7Yd]#K{$  
f8
?c[%br  
参考文献 \%011I4  
[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). # ~T KC|G  
%O_Ed {G4t  
进一步阅读 \LZVazXD  
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FcfS+/  
进一步阅读  [EU\-  
 获得入门视频 S`?cs^?  
- 介绍光路图 pUXszPf  
- 介绍参数运行 YXWlg%s  
 关于案例的文档 +XN/ bT  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens iH"
"dtO  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens nI6[y)j  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing KQ(7%W  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair G.
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QQ：2987619807