[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） roVGS{4T\  
(w6024~  
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 L|u\3.:  
!c[?$#W4  
zL+jlUkE
 
[K9l>O  
简述案例 l*e*jA_>:7  
9
h9 jS~h  
系统详情 O>IY<]x>L  
 光源 si.ZTG9m  
- 强象散VIS激光二极管 Rr{mD#+  
 元件 cG
IxE[n'  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） [U5[;BNRD  
- 具有高斯振幅调制的光阑 X3-pj<JLY  
 探测器 -Wd2FD^x  
- 光线可视化（3D显示） nQy.?*X  
- 波前差探测 =\"88e;b2  
- 场分布和相位计算 NTbmI$(  
- 光束参数（M2值，发散角） 7l/.fSW  
 模拟/设计 MHeUh[%(  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ePv3M&\J  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： WK)hj{k  
 分析和优化整形光束质量 ]V0V8fU|  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 $P&{DOiKS  
4'upbI  
系统说明 I!eu|_cF  
P{fT5K|  
v3PtiKS  
模拟和设计结果 -FpZZ8=,M2  
nsn  
数值探测器结果 u_H=Xm)9  
G5*"P!@6  
@n2Dt d  
yC\dM1X  
m';j#j)w  
总结 [x{z}rYH  
@7UZ{+67*C  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 I;1W6uD=  
1.模拟 )R6h 1  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 CWT#1L=  
2.评估 4.Kl/b;  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 f/xQy}4+~E  
3.优化 5 EhOvt8  
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。 CWBlDz  
4.分析 K*R  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 F$/7X~*  
='A VI-go5  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 lXpbAW  
srlxp_^  
详述案例 "DO|B=EejP  
QM('bbN  
系统参数 8Z|A'M  
_D 9/,n$  
案例的内容和目标 m!5MGq~  
tm1#Lh0  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 @.&KRA
Z  
9dVHh?E  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 2c*w{\X  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 A$g'/QM  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 R]&lVXyH  
Spu> ac  
模拟任务：反射光束整形设置 IG.!M@_  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 -zg 6^f_pW  
z6*r<>Bf+b  
k4d;4D?  
i>7]9gBm1q  
}Ug$d>\  
llN/  
规格：像散激光光束 n-9a0_{k  
Yl&bv#[z  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \sAkKPI  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 OI_Px3) y  
Dz,|sHCmk  
Wf3{z D~  
JXV#V7  
:IX,mDO  
U;A,W$<9  
规格：柱形抛物面反射镜 n/Dg)n?
 
                         bk0<i*ju7(  
 有抛物面曲率的圆柱镜 L#?mPF  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 3&I3ViAH  
 曲率半径等于焦距的两倍 ?
\I@w4  
.F'Cb)Z  
'pyIMB?x  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） beBv|kI4  
o=RxQk1N  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 \?wKs  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） .:XXc  
 离轴角决定了截切区域 lD'^6
 
bxPJ5oT  
规格：参数概述（12° x 46°光束） pI.~j]*:{  
03AQB;.  
   0eKLp8;Lh
 
nVrV6w  
光束整形装置的光路图 elR1NhB|p  
'"XVe+.O  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Vx:uqzw#  
 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。 Zl>wWJ3y  
R5mb4  
反射光束整形系统的3D视图 <(~Wg{  
:?}>Q  
unRFcjEa  
I*f@M}  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 <;@E .I\N  
 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）。 z =\ENG|x#  
Z%b1B<u$  
详述案例 asE.!g?  
JaR!9GVN7  
模拟和结果 I~E&::,  
dtjb(*x  
结果：3D系统光线扫描分析 E(z|LS*3  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 . Y$xNLoP[  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 /Z~$`!J  
#Uep|A  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd B/m
fm 7  
W6r3v)~  
使用参数耦合来设置系统 _;/+8=  
ay`R jT  
snNB;hkj  
自由参数： |oePB<N  
 反射镜1后y方向的光束半径 kY9$ M8b  
 反射镜2后的光束半径 ^4p$@5zH  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） %h;1}SFl0  
 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。 DeeV;?:  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 (/9erfuJ  
T.B7QAI. H  
r gi4>  
oMYZ^b^  
'F:Tv[qx  
Po.by~|  
x2/ciC  
自由参数： +1\t0P24  
 反射镜1后y方向的光束半径 0HQTe>!  
 反射镜2后的光束半径 u@`y/,PX  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） cFq2 6(e  
 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。 nQg_1+  
~jz51[{v  
9C!b f \  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 N-Bw&hEZ  
=+[`9  
*_HF%JYMZ  
结果：使用GFT+进行光束整形 ",
Fvv  
afu!.}4Ct  
'e$8 IZm  
$U)nrni  
tDMNpl  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ZG~d<kM&8s  
^oClf(  
kP^=  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 C<w&mFozL  
,#%I$  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 YlR9 1LX  
k[f_7lJ2  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： !!cN4X  
JBLh4c3  
%c8@  
 }_7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @18}'k  
ktp<o.f[  
结果：评估光束参数 |.-Muv  
/a6i`  
BKgCuz:y  
 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。 \m:('^\6o  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 [X>f;;h  
iO2jT+i  
\p]B8hLW  
 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。 k~, k@mR  
 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） Zq5~M bldh  
QbY@{"" `  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd SDVnyT  
@rF|WT  
光束质量优化 rZE+B25T~  
r\)bN4-g  
QZ*gR#K]Sz  
 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。 3Vak C  
 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）。 }]JHY P\  
2. v<pqn  
结果：光束质量优化 !(Y,2{  
*%E\mu,,c  
 L|6I  
 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。 'g3T'2"`5  
?-)v{4{s  
dP`B9>r  
g(,^';j  
 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。） VKf&}u/  
bvZ:5M  
OkfxX&n  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd (OA4H1DL^  
=itQ@``r  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 D2=zrU3Y64  
p@[ fZj  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 (.VS&Kv#U  
`uH7~ r^  

1:
>F{g  
 这意味着参数变化是的正态 9%1J..c  
b4WH37,lA  
?~!9\dek,  
To5hVL<Ex"  
>P&1or)e%  
 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。 P.
QF9%  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 v^vi *c  
qmt9J?$k  
 >]~|Nf/i  
9 <{C9  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run %.?V\l  
cD}]4  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ）
w,$qsmR  
CxZh^V8LP  
zsJermF,O  
$LFL4Q  
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。 F= %A9b_a  
W)/^*, Q7  
总结 \Z&Nd;o   
lg~7[=%k#  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 P(TBFu  
1.模拟 -!:5jfT
"  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 IT&,?u%  
2.研究 9|#cjHf  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 )AQ
^PBwp  
3.优化 }Mt1C~{(  
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。 fzQR
0  
4.分析 Cul=,;pkB  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 G+t:]\  
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。 '.(Gg%*\.  
f,KB BBbG  
参考文献 EN
2SI
+  
[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). O'mcN*  
(^m] 7l  
进一步阅读 {YzCgf  
?<TJ}("/  
进一步阅读 -HG.GA  
 获得入门视频 7GYf#} N  
- 介绍光路图 VP~2F E  
- 介绍参数运行 |'nQvn:{  
 关于案例的文档 gHrs|6q9  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens '|[V}K5m/f  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens (WyNO QO'  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Q'/sP 5Pj  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair  ?<EzILM  
>v.fH6P,}  
Q&eyqk   
QQ：2987619807