[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） pg+[y<B  
&5{xXWJK  
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 ;{[>&4  
5F|8?BkOL^  
nnb8Gcr  
mnk"Vr` L  
简述案例 Q^K"8 ;  
+z9@:L  
系统详情 U!%!m'  
 光源 V(MFna)  
- 强象散VIS激光二极管 M~*u;v
A/  
 元件

CRve.e8J  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 9vNkZ-1  
- 具有高斯振幅调制的光阑 D'l5Zd  
 探测器 Z|9
u]xL  
- 光线可视化（3D显示） f~OU*P>V@  
- 波前差探测 8mLP5s!7  
- 场分布和相位计算 y %$O-q  
- 光束参数（M2值，发散角） r,goRK.  
 模拟/设计 7+TiyY]K  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 [OTJVpC  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： o`zr>  
 分析和优化整形光束质量 depYqYK7G  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >R{qESmP=  
Ll4bdz,  
系统说明 :f5s4N  
UX<Qcjm$e  
Q(d9n8  
模拟和设计结果 iGDLZE+
?  
qrvsjYi*w  
数值探测器结果 bb42
v7?  
UmnE@H"t$\  
U`Jy!x2m  
8By,#T".  
2-zT$`
[]J  
总结
/<CSVJ_r  
GBFw+v/|4  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 )yY6rI;:  
1.模拟 xCzebG["  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 DcIvhBp  
2.评估 Glq8
5S  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
kY,U8a3!  
3.优化 }7G8|54t  
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。 p2J|Hl|  
4.分析 #zrTY9m7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 L{l6Dd43q  
P+t#4J  
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。 
;n=. {[,  
:{'k@J"|a  
详述案例 p5O",3,A4  
LAx4Xp/  
系统参数 7:]Pl=:X  
6*l^1;U  
案例的内容和目标 T&T/C@z'R  
lT\a2.E  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 /sR%]q |L  
G5dO 3lwq  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 d0hhMx6$  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ~`>e5OgOJ  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ~Au,
#7X)  
Z3;!l  
模拟任务：反射光束整形设置 z3t~}aL  
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。 nFX_+4V2  
Xd:7"/:r  
UgB'[@McS  
N3t0-6$_  
e&ANp0|W  
Z'^U ad6  
规格：像散激光光束 y5= `ap  
5_0(D;Q  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 6b8;}],|  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 C ]Si|D
  
TGuiNobD  
UL
c`~]  
"I;C;}
!  
hA 3HVP_  
|o'Q62`%}  
规格：柱形抛物面反射镜 sDgXU@  
                         R
jJU4q  
 有抛物面曲率的圆柱镜 8$|8`;I(  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 M:E
r_,E  
 曲率半径等于焦距的两倍 JB</euyV  
=k}SD96  
M)?dEgU}M  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） `=#01YX[0  
oMcK`%ydm  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 YL jHt\  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） QQk{\PV  
 离轴角决定了截切区域 w.Ezg j  
UX`]k{Mz  
规格：参数概述（12° x 46°光束） c~
A4gtB=  
8,?v?uE  
   e73^#O&Xt  
eRbGZYrJ  
光束整形装置的光路图 0Q1FL MLV  
_2fkb=2@  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 fsO9EEn7X  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 =U OLT>!  
8T;IZ(s  
反射光束整形系统的3D视图 Gy1xG.yM~  
?!w^`D0}o  
{"*VU3%q  
]"AyAkT(  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 pDPxl?
S  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 7Y=cn_ wU  
_|<d5TI  
详述案例 4!$ M q;U  
0)YbI!  
模拟和结果 v8>v.}y  
fQWIw  
结果：3D系统光线扫描分析 +i `*lBup$  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 F0~k1TDw  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 vv6$>SU  
0uVv<Q~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ||2Q~*:  
*VSel4;\t  
使用参数耦合来设置系统 MB);!qy  
,F+B Wot4  
5OM?3M  
自由参数： zHB_{(o7  
 反射镜1后y方向的光束半径 Y izE5[*  
 反射镜2后的光束半径 c- $Gpa}M  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） k1z$e*u&r  
 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`f_P$&Z_J  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 si1*Wt<3Bc  
L^kp8
o^$  
|ifHSc.j<  
`U!y
&Q$,  
P#kGX(G9!  
k0?ZYeHC  
k!jNOqbb  
自由参数： ir>]r<Zl  
 反射镜1后y方向的光束半径 ,lYaA5&I  
 反射镜2后的光束半径 qOCJTOg7  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） |YJCWFbs8  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ~+D*:7Y_  
bTmL5}n  
@b&84Gn2 r  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 U3;aLQ*  
]7sx;KFv  
`Y?t@dd  
结果：使用GFT+进行光束整形 TmRxKrRs  
Ftb%{[0}u3  
Dkw%`(Oh/,  
+\`vq"e  
4
YG/`P  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 8$P>wCK\l  
1ZJ4*bn  
9G?ldp8  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 AH7L.L+$M  
/  Y
iQ\  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
ux2013C_  
:LJ7ru2  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： yFIy`9R  
-*VKlZ8-  
={(j`VSUX0  
I\P Bu$Ww  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ?dy~mob  
7l8[xV  
结果：评估光束参数 BW[5o3 i  
8@K^|xeQ  
|qcD;  
 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。 sOFa!bdPW  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 Rz <OF^Iy  
V}8$p8#<@  
IY(h~O  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 7 &)]) {Q  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） I8m:3fL"  
S
4vbN  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd F%.xuL
W  
mLL$|  
光束质量优化 Ng<1Sd|MV  
"Tbnxx]J  
G"s0GpvQ  
 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。 `_AM` >_  
 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）。 e29y7:)c=  
wvc>0?t'  
结果：光束质量优化 iSp  
Fxd{ Zk`  
2=*=^)FNI  
 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。 6XUuGxQV/  
S)\8|ym6!  
\3Jq_9Xv  
J%v5d*$.  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） - V) R<  
[$\>~nj=  
ksI>IW  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd &~~s6   
!e8i/!}^S  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 1$LIpx  
)^;DGzG  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 vE\lp8j+  
[B/0-(?
 
-WR}m6yMr  
 这意味着参数变化是的正态 hY8#b)l~lu  
1p\Ak  
hw,^G5m  
n.$(}A  
(O5)wej   
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 =I4.Gf"~f  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Z!\@%`0$  
:EHQ .^  
'F_}xMU  
-CBD|fo[h  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run R_e)mkE  
[%8@DC'  
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） I6dm@{/:>  
s44iEh=V(I  
j7/(sf  
TbNGgjT  
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。 'h*Zc}Q:  
$Ub}p[L  
总结 
0'yyfz  
1L[S*X  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 0=[0|`x  
1.模拟 Q=+8/b  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 {'~sS  
2.研究 7:o+iP46  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 M\UWWb&%\  
3.优化 'Z7P  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 5u,sx664  
4.分析 YvTA+yL  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 { /<4'B  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 oh&Y<d0  
<o@)SD~K  
参考文献 X<xqT  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). *Mi6  
|R~;&x:  
进一步阅读 37>MJ  
iQqbzOY  
进一步阅读 r<(kLpOH%  
 获得入门视频 
N1? iiv  
- 介绍光路图 TNci.']  
- 介绍参数运行 faVS2TN4  
 关于案例的文档 ZjD2u8e  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens {HuLuP0t  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens hEcYpng~  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Ihef$,  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair E& ]_U$  
4TJ!jDkox  
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L?mhK  
QQ：2987619807