[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） \hZ9in`YlR  
"[]72PC  
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 ;,LlOR  
uwb>q"M  
^`!EpO>k9  
nF|m*_DW  
简述案例 5 %aT  
P!2[#TL0  
系统详情 \LW '6 pQ_  
 光源 eTa[~esu.  
- 强象散VIS激光二极管 l.i&.;f  
 元件 rB%acTCz=[  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） -n$fh::^  
- 具有高斯振幅调制的光阑 0IjQqI  
 探测器 3&JsYQu  
- 光线可视化（3D显示） +EgQj*F*  
- 波前差探测 :j,e0#+sA  
- 场分布和相位计算 BI6o@d;=4  
- 光束参数（M2值，发散角） ^?tF'l`
 
 模拟/设计 +hS}msu'  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 E>?T<!r~j  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： N;\by<snN  
 分析和优化整形光束质量 C_Z[ul  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 jW+L0RkX  
L$FLQyDR  
系统说明 cB7=4:U  
8aD4wc  
O-vvFl#4  
模拟和设计结果 t1 .6+  
52#@.Qa  
数值探测器结果 -3c?Yaf"  
U(=cGA.$  
scUWI"  
`+QrgtcEy4  
8f|  
总结 u]ZCYJ>  
!g~xn2m$R  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,saf"Ed=  
1.模拟 Jj'~\j  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ZUMzWK5Th  
2.评估 _D(F[p|  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 X Jy]d/  
3.优化 LE!3'^Zq  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 8<uKzb(O:  
4.分析 vV|u+v{  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 B;':Eaa@  
R28h%KN  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 Rj%q)aw'  
Qp${/  
详述案例 ' 7>V4\"  
7@rrAs-"Z  
系统参数 Jh[fFg]  
(a1s~  
案例的内容和目标 hun/H4f|  
Y]nY.5irL  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 BaTE59W  
*B`wQhB%  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 V4Ql6vg_f  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 y:Qo:Z~  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Vo"\nj  
#f~#38_  
模拟任务：反射光束整形设置 [HK[{M=v=  
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。 ;e_n7>'#%  
[:sV;37s  
-mG3#88*  
rRL:]%POT  
Jpws1~  
,`MUd0 n  
规格：像散激光光束 pl V]hu27K  
*9((b;Ju  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 W[: n*h  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 $AUC#<*C  
p^A9iieHp=  
\:\rkc9LI  
J(VJMS;_  
Y+sycdq  
u:3~Ius  
规格：柱形抛物面反射镜 x\GCsVy  
                         c Q|nL  
 有抛物面曲率的圆柱镜 SI)u@3hl&w  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 X4lz?Y:*  
 曲率半径等于焦距的两倍 |28z4
.  
,D3?N2mB  
)&<BQIv9/  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） vu;pILN  
kb]PWOz  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 U`D/~KJ{Y  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） M;,Q8z%  
 离轴角决定了截切区域 #7+oM8b  
xg k~y,F  
规格：参数概述（12° x 46°光束） gN Xg  
x-+Hy\^@|  
   (2Z-NVU#  
%:sQ[^0  
光束整形装置的光路图 R~iJ5@[  
>fPa>[_1  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 MJd!J]E6  
 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。 Lf{9=;  
$rv&!/}]e  
反射光束整形系统的3D视图 KyK%2:  
Lqb9gUJ:U  
)"q$g&  
p?2\9C4  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Ly0^ L-~|  
 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）。 UmcPpZ  
4R0'$Ld4  
详述案例 %{WS7(si  
~oy=2Q<Z  
模拟和结果 $014/IB  
-/Pg[Lx7Pb  
结果：3D系统光线扫描分析 _SC{nZ[  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 f^b.~jXSR}  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ABw:SQ6=Q  
@9lV~,,U  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd X?&(i s  
:*Lr(-N-  
使用参数耦合来设置系统 j\iE3:94$  
GKTt!MK  
uT:'Kkb!  
自由参数： @&#k['c  
 反射镜1后y方向的光束半径 `>-fU<Q1  
 反射镜2后的光束半径 /N.xh  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） lKWe=xY\B  
 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。 9+H C
!Uot  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 f]%:.N~1w  
#@FMH*?xX6  
h|qTMwPr  
sG{fxha  
OSreS5bg  
C+o1.#]JM  
5My4a9  
自由参数： @+Ch2Lod  
 反射镜1后y方向的光束半径 O(x1Ja,&  
 反射镜2后的光束半径 1T&NU  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Rp.42v#ck  
 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。 9U~fc U6  
!\|_,pSB  
o;#:%  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 JBqL0H  
#uTNf78X  
4z<nJOEh[  
结果：使用GFT+进行光束整形 %8Eu{3  
#gW"k;7P  
s0r::yO  
/LwS|c6}}  
{A^3<=|  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 4eVQO
%&2  
Kk.a9uKI}  
/bdL.Y#V  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Qe,jK{Y< -  
E8X(AZ 2  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ^!&6z4DP  
N+lhztYQ?  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Fnqj^5  
To/6=$wto  
W%ml/ 4  
M./1.k&@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd V.w L  
CFK{.{d]B  
结果：评估光束参数 &{4KymB:  
Cb4.N8  
Z  FIy  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 3~q#P  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 [0bp1S~  
DpCe_Vb%M  
,FIG5-e,}  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 u
@]rR&h`  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） SfSWjq  
W3+;1S$k  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd )7c/i+FsC  
mzO5&h7  
光束质量优化 q$7w?(Lk  
@\U;?N~k  
L;\f^v(  
 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。 xs 1V?0  
 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）。 SA{noM  
t $m:  
结果：光束质量优化 Vp$<@Y  
mX/'Fta  
P(oGNKAS  
 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。 ''^2
rF^  
3>>Ca;>$  
ilRPV'S^  
GvzaLEo  
 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。） .TeGA;  
:W.pD:/=v  
l&|Tb8_'  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd (}RTHpD  
/Qu<>#[?  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 rF$S  
QsX`IYk  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ;fYJ]5>  
XE'3p6  
s .@Szq  
 这意味着参数变化是的正态 j];#=+  
Py`7)S
 
o\<JG?P  
18^K!:Of  
}0Q T5  
 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。 %H[~V f?d  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 j/8q  
?7#{#sj  
Xz?7x0)Z  
U#x`u|L&6  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run PYwGGB-  
"#:h#uRUb  
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） _b`/QSL  
z57q|  
n5 <B*  
iu9+1+-  
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。 gj7'43 ?W  
\'r;1W  
总结 DW>O]\I  
(&=3Y8  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 G%junS'zt  
1.模拟 KBoW(OP4'  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 2eRv{_  
2.研究 Xyu0np;@  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 TtrV -X>L  
3.优化 peew<SX  
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。 tb>Q#QB&u  
4.分析 b\^1P;!'W  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 J vl-=~  
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。 v8 II=9  
u/CR7Y  
参考文献 dP<i/@21Wm  
[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). g7w#;E  
J|@O4g  
进一步阅读 E<p<"UjcCJ  
L<G6)'5W  
进一步阅读 &gP1=P,!  
 获得入门视频 "u'dd3!  
- 介绍光路图 ?y@;=x!'  
- 介绍参数运行 u`XZtF<vf  
 关于案例的文档 f7a"}.D$  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens #^_7i)=~  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens &Z}}9dd  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing K<k\A@rv8H  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair @.=2*e.z|b  
*c(J4  
^Ge|tBMoKE  
QQ：2987619807