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    [分享]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2020-11-17
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) Lo +H&-  
    W!a'KI'  
    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 P m|S>r  
    0-Wv$o[  
    +?0r%R%\  
    +3-f$/po  
    简述案例
    VQ4rEO=t  
    W)u9VbPk[  
    系统详情 f5#VU7=1F2  
    光源 4?aNJyV%&  
    - 强象散VIS激光二极管 ET~^P  
     元件 EB5 ^eNdL  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) s&-dLkis{u  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 5g phza  
     探测器 *Di ;Gf@  
    - 光线可视化(3D显示) F2$?[1^f  
    - 波前差探测 v <E#`4{  
    - 场分布和相位计算 ztV%W6  
    - 光束参数(M2值,发散角) ,Z[pLF  
     模拟/设计 xGK"`\V  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 b!z=:  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): u%nhQ%  
     分析和优化整形光束质量 hKN/&P^  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 F6 f  
    Pb/[945  
    系统说明 Y9nyKL  
    m2to94yh  
    UphZRgT!N  
    模拟和设计结果 [vcSt5R=  
    3>k?-%"  
    WVh]<?GWXk  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 jN sM&s,  
    X%Ta?(9|.^  
    A{\!nq_~N  
    e `IL7$  
    lC=T{rR  
    总结 r?=3TAA  
    =tqChw   
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 AF"XsEt.e  
    1.模拟 vOBXAF  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 `5t CmU  
    2.评估 {3\{aZ8)  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 =~{W;VZt'  
    3.优化 Zs}EGC~&  
    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。 #e$vv!&}  
    4.分析 cAzlkh  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 78FK{Cr  
    @s~*>k#"#  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 kr5'a:F)  
    Yj>ezFo  
    详述案例 8fQaMn4V  
    87:V-*8  
    系统参数 WlnS.P\+E  
    '=>l& ;  
    案例的内容和目标 C: a</Sl  
    e2M jV8Bs  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 B3V+/o6  
    H@ .1cO  
    ~DUOL ~E  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 {$)pkhJ  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 ,M$ J yda  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ]YwvwmZ  
    (Ei} :6,}  
    模拟任务:反射光束整形设置 H.[t&VO  
    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。 3+ WostOx  
    OJPi*i5*  
    .oxeo 0@~  
    !_j6\r=  
    [35>T3Ku  
    @7OE:& #V  
    规格:像散激光光束 6ragRS/'x  
    eLN[`hJ  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 )TyI~5>;  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 qM:*!Aq 0g  
    _&/2-3]\B  
    "!_,N@\t  
    5D`!Tu3  
    XF Wo"%}w  
    &cB +la\_  
    规格:柱形抛物面反射镜
    (j884bu  
                             ]`_eaW?Ua  
     有抛物面曲率的圆柱镜 ue"e><c6:  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 %pr}Xs(-f  
     曲率半径等于焦距的两倍 CGJ>j}C  
    L$ ZZ]?7j  
    8Hh= Sp^  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) )dZ1$MC[  
    w.R2' W R  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 bKP@-<:]  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) =z +iI;  
     离轴角决定了截切区域 +pJ~<ug]  
    v!%VH?cA8  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) ^F`\B'8MF  
    Q(ec>+oi  
       :, Ad1(  
    yu @u0vlc  
    光束整形装置的光路图 [rtMx8T  
    &L4>w.b"N  
    lehuJgz'OO  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。  Ts 1  
     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。 W,sPg\G 3  
    :tcqb2p  
    反射光束整形系统的3D视图 3[}w#n1  
    6eHw\$/  
    E8PlGQ~z{d  
    A!fRpN  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 <+)B8I^  
     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)。 B5 H=#  
    H"J>wIuGX  
    详述案例 nj5Hls  
    - <M'h  
    模拟和结果 :dj=kuUTbu  
    Q'K[?W|C  
    结果:3D系统光线扫描分析 N2e]S8-  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 #i0f}&  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 >`u/#mrd  
    &Y|AX2KUC  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 8I,/ysT:  
    6V6,m4e  
    使用参数耦合来设置系统 Jw)-6WJ!uO  
    =y WHm  
    zvHeoM ,  
    自由参数: 25/OV"Z  
     反射镜1后y方向的光束半径 7Hzv-s  
     反射镜2后的光束半径 +a}>cAj*  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) |FH|l#bu>  
     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。  NncII5z  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 o `}(1$a>  
    >*S ;z+!&  
    u[?M{E/HU  
    Q<d|OX  
     Jyo(Etp  
    Q9NKQuSu  
    Xwt}WSdF`k  
    自由参数:  T6N~L~J  
     反射镜1后y方向的光束半径 d0 qc%.s  
     反射镜2后的光束半径 +EE(d/ f  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 9,G94.da  
     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。 Ul%D}(,  
    P1A5Qq  
    X8212[7  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 +N:=|u.g  
    wA?q/cw C  
    T@x_}a:g  
    结果:使用GFT+进行光束整形  dPCn6  
    $|pD}  
    .l}oxWWoS  
    .rs\%M|X  
    ry!0~ir  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 k~HS_b*]d  
    QTT2P(Pz  
    y(h"0A1lW  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 pA?2UZ  
    %m?$"<q_K  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 -/3D0`R  
    ,R2;oF_  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: +[Zcz4\9  
    ]B>g~t5J  
    rw]7Lr_>  
    "Iwd-#;$;  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd wC~LZSTt  
    m(eR Wx&pZ  
    结果:评估光束参数 D|Raj\R  
    4NxI:d$&*  
    XVWVY}  
     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。 bo04y)Iz  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M2值感兴趣。 _rjB.  
    To@77.'  
    )R@M~d-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。 I!;vy/r  
     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) CWW|?  
     O)?  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd _yP02a^2  
    >P[BwL]  
    光束质量优化 F=l.2t*9  
    Kb,#Ot  
    2"C,u V@F!  
     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。 0V5{:mzA  
     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)。
    z)0%gd|  
    0D:eP``  
    结果:光束质量优化 m?_@.O@]  
    IM$I=5y e  
    `6QQS3fk!  
     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。 "pW@[2Dkx/  
    /o]j  
    ; 6*Ag#Z  
    F|&=\Q  
     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。) ;/|3U7{c  
    IM9P5?kJ ?  
    Ye"#tCOEG  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd V07? sc<  
    R'1L%srTM+  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 Dh~Z 8!*  
    /woC{J)4p  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 ti}G/*4  
    bdz&"\$X  
    bf&k:.v'8  
     这意味着参数变化是的正态 v'X=|$75  
    \jGvom.  
    Kt/Wd  
    8bP4  
    Y~+`F5xX<  
     对于这个例子,假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差(绝对的方向)。 由于这个偏差,整形光束的波前差明显增加。 95X!{\  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 bJ6@ B<  
    D>).^>|q  
    gg}^@h&?  
    c0M>CaKD  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run _rjLCvv-  
    'p:L"L}Q?  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) |y~un9j +  
    *zn=l+c  
    [5O`  
    ajMI7j^G  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 D|rcSa.M  
    y.m;4((  
    总结 h<ULp &g  
    |nTZ/MXbw  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 D"RxI)"HP  
    1.模拟 'I *&P5|  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 KQ\d$fX  
    2.研究 `.8#q^  
    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>%l\?  
    3.优化 ~PAbtY9}U  
    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。 "=r"c$xou  
    4.分析 6ISDY>p  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 b/ dyH  
    可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置,尤其是离轴系统。为此,根据情况应用不同的模拟引擎。 ;UB$Uqs6  
     ;%tu;  
    参考文献 '#faNVPABh  
    [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). v'zj<|2  
    \r+8}8  
    进一步阅读 2r~&+0sBP  
    SXI3y  
    进一步阅读 Ap [}[:U  
     获得入门视频 baVSQtda  
    - 介绍光路图 ;r}>1LhN  
    - 介绍参数运行 A"8"e*  
     关于案例的文档 OK"B`*  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens _2C[F~ +l  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens @JL+xfz  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing u/8urxp y  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair u/2!v(  
    {Z=m5Dy}  
    >S:>_&I`I  
    QQ:2987619807
     
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