[分享]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） {U4BPKof  
3/o-\wWO  
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_=^E*J]  
nGGYKI  
>1xlP/4jx  
4`)B@<  
简述案例  Mi.xay%  
pm O}m>  
系统详情 <T:u&Ic  
 光源 +Ck<tx3h&  
- 强象散VIS激光二极管 GEy^*, d  
 元件 {PGNPxUbe  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） % w 6fB  
- 具有高斯振幅调制的光阑 dNG>:p  
 探测器 LX4S}QXw  
- 光线可视化（3D显示） Z6SM7?d  
- 波前差探测 Lm"l*j4  
- 场分布和相位计算 WcAX/<Y>  
- 光束参数（M2值，发散角） <oTIzj7f  
 模拟/设计 o6  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 $d?<(n  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： i;`rzsRb  
 分析和优化整形光束质量 c3]ZU^  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 SfQ,uD6  
lM"@vNgK  
系统说明 ?%(8RQ  
\MQ|(  
zCj]mH`es'  
模拟和设计结果 ZffK];D  
=:mD)oX*  
数值探测器结果 =yOIP@  
cF3V{b|bU  
xl@l<  
wgpu]ooUF&  
bNp RGhlV  
总结 |/[?]
`  
<i`Ipj  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 v/
\l  
1.模拟 i,M<}e1  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 i[H`u,%
+(  
2.评估 0RN]_z$;H  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 )FGm5-K@  
3.优化 PYPs64kNC]  
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。 ])egke\!  
4.分析 /`>BPQH`}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 d%NO_=I.  
SaMg)s~B  
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。 i5
w  
\$}^u5Y  
详述案例 L+7L0LbNU  
h
)7{Cj  
系统参数 xrxORtJ<  
!"j?dQ.U;  
案例的内容和目标 (eS4$$g  
2G<\Wz  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 \-$wY%7  
,1EyT>  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 PsMoH/+"  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 %WiDz0o  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ^.aFns{wv  
n.n;'p9t@  
模拟任务：反射光束整形设置 e82SG8#]  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 _Je<_pl!D  
I9rWut@+  
"VR>nyG%  
aFGEHZJQ  
S*VG;m#  
n=WwB(}q  
规格：像散激光光束 P!3)-apP\  
-61{ MMiA  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 XdjM/hB{fD  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 !f[LFQD  
"bZ%1)+  
l8 k@.<nCO  
_>+!&_h  
fT.18{'>  
q">lP(t  
规格：柱形抛物面反射镜 s(jixAf  
                         d,AEV_  
 有抛物面曲率的圆柱镜 _[u&
}i  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 u:JD  
 曲率半径等于焦距的两倍 I},.U&r  
ej,j1iB  
88x_}M^Fnl  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Fv$5Zcf  
#{KYsDtvx  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 q{~59{Fha  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） FFX-kS  
 离轴角决定了截切区域 E7X6Shng  
Q46^i7=  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Yci>'$tQ  
l\g>@b  
   _W]R|kYl$'  
$2uk;&"?A=  
光束整形装置的光路图 z#9Tg"8]  
.UX`@Q:Gp  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 2q]y(kW+  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 35=kZXwG+4  
U[7 &   
反射光束整形系统的3D视图 yTJ Eo\g/@  
San3^uX  
)+ifVv50  
Io_bS+  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 XzLB#0  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 8LuM eGs  
jMUd,j`Opx  
详述案例 .5$"qb ?  
C\2rSyo  
模拟和结果 fghw\\]3  
En!X}Owh  
结果：3D系统光线扫描分析 $O nh2 ^  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 -YvnX0j+  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 PgOOFRwP  
{BV0Y.O  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,GO
H8h  
:Kq]b@X  
使用参数耦合来设置系统 FgwIOpqE*  
RfoEHN  
H!SFSgAu  
自由参数： m&S *S_c  
 反射镜1后y方向的光束半径 hK]mnA[Y  
 反射镜2后的光束半径 )LC"rSNx%  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） H@,h$$  
 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。 +G:CR,Z>+  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ,
J;Cb}  
F/%M`?m"ie  
p"@[2hK  
L5[{taZ,  
m3T=x =  
3uXRS,C  
Gxhr0'  
自由参数： sdp3geBYo  
 反射镜1后y方向的光束半径 !d.bCE~  
 反射镜2后的光束半径 [?>\]  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） W6c]a/
 
 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。 bW-sTGjRD  
52,[dP,g  
8 $qj&2 N  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 }G/!9Zq  
WuuF&0?8C  
Q{[l1
:  
结果：使用GFT+进行光束整形 A3mvd-k  
<uG6!P  
aS! If>  
%_@T'!]  
&J?:wC=E  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 n58yR -"  
)FpizoVq0  
kqkTz_r|H  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 c/DK31K  
emSky-{$u  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 gNHS:k\"  
b#nI#!p'  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： !8e;3W  
OwCbv j0#  
s_;o1 K0  
E1j3c :2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Cs4ks`Z18  
uf^HDrr<L  
结果：评估光束参数 6H1;Hl f  
PrHoN2y5E  
s*Nb=v.e9  
 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。 !,|-{":  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 YP Qix  
hd*GDjmRQ/  
^H0#2hFa  
 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。 B[3u,<opFU  
 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） Vq
UCcT  
Xub*i^(]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd L} "bp  
$cWt^B'  
光束质量优化 _\.4ofK(  
s:k?-u@  
jF-:e;-  
 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。 G?v!Uv8O  
 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）。 Q=61.lP6  
[D+,I1u2h  
结果：光束质量优化 Ld 0*)rI#  
$1$0M  
jddhX]>I  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 aGd wuD  
b"aF-,M>  
q9
wObOS$  
;X^#$*=Q  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） KL6B!B{;  
H:|.e)$i  
0l3[?YtXc  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd %AN,cE*  
iZLy#5(St  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 NLr
a"Z  
q_6fr$-Qh  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 TQu.jC  
'ieTt_1.G  
\%&A? D  
 这意味着参数变化是的正态 ?YMBZ   
74ho=  
XG*>
yra`  
h\p!J-V  
}SC&6B?G  
 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。 YKz#,  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 .*f6n|  
Y=4 7se=h"  
Ims?  
$/lM %yXe  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run q 'd]  
#I
Z.px  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） oNIYO*[  
8Ji`wnkXe  
^.R!sQ  
ZY8w1:'  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 G pI4QzR  
oN[}i6^,e  
总结 nw\C+1F  
R:+'"dBge  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 '#yqw%  
1.模拟 4Z>gK(  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 OPzudO  
2.研究 &TY74w*  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 !d<R=L  
3.优化 4BUG\~eI3  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 }LCm_av  
4.分析 !qp$Xtf+  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 9tU"+  
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。 :'B(DzUR  
_7\`xU  
参考文献 $cK}Tlq  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). @I-,5F|r  
0VcHz$ 6  
进一步阅读 #Lpw8b6  
L{P'mG=4  
进一步阅读 @"`}%-b  
 获得入门视频 YnuY/zDF  
- 介绍光路图 pHoHngyi&  
- 介绍参数运行 S9Oz5_x  
 关于案例的文档 z]r'8Jc  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens jhf# gdz%  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens F \ls]luN  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing }3A~ek#*~  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair YTFU#F  
AwXzI;F^  
.n1&Jsey  
QQ：2987619807