[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） !*gTC1bvB  
h7S&tW GU  
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 mJ|7Jc  
5Y&s+|   
5Y8/ZW~D0  
_8'FI_E3  
简述案例 e[@q{.  
1=t\|Th-  
系统详情 RZ[r XV5  
 光源 #)BdN  
- 强象散VIS激光二极管 ^vJPeoW  
 元件 F W# S.<  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） X=p~`Ar M{  
- 具有高斯振幅调制的光阑 THmX=K4=?  
 探测器 tU%-tlU9?  
- 光线可视化（3D显示） &:` 7  
- 波前差探测 2Ax HhD.  
- 场分布和相位计算 7n~BDqT  
- 光束参数（M2值，发散角） RkJ\?  
 模拟/设计 I/s?]v  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 uv2!][  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： |j i}LWcD  
 分析和优化整形光束质量 imtW[y+4  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 BK'!WX  
URW'*\Xjb  
系统说明 "l&sDh%Lk<  
'* +]&~b  
e6f!6a+%  
模拟和设计结果 %Ya-;&;`  
1!/ U#d"  
数值探测器结果 &:-`3J-  
d%9r"=/  
X!n-nm
s  
id.o)=  
'C~NQ{1TV  
总结 *4^!e/  
,FJ9C3  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。  IjDG  
1.模拟 `\&qk)ZP  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ,h1r6&MEY  
2.评估 +MQf2|--  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 O;:8mm%(  
3.优化 UG+wRX :dA  
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。 %+G/oF|  
4.分析 ~R)Km`t  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 0=s+bo1  
L`+\M+  
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。 )4a&OlEI  
8*)zoT*A  
详述案例 { >Y<!  
11 .RG *  
系统参数 / GJ"##<  
Vd|5JA}<"  
案例的内容和目标 "wxs  
;=Bf&hY&  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 D;<Qm,[  
@-;
-DB]j  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 DnaG$a<  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 5in6Y5ckj  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 gzP(LfI5  
d<qbUk3;  
模拟任务：反射光束整形设置 slHlfWHq  
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。 Eln"RKCt}9  
(>>pla^  
5D]%E?ag  
\GbT^!dj  
ix]3t^
 
89@89-_mC  
规格：像散激光光束 i2$U##-ro]  
z0HCmj9T  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 H U$:x"AW  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ,q/K&'0`  
CQ"IL;y  
9))%tYN  
E[htNin.B~  
?YgK]IxD  
h.4;-&
 
规格：柱形抛物面反射镜 =YZp,{T  
                         bR*T}w$<  
 有抛物面曲率的圆柱镜 j>?H^fB  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 !V@Y \M d  
 曲率半径等于焦距的两倍 f;pR8  
0} liK  
KL.{)bi  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ahS*YeS7  
J}`K&DtM9  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 .K}u`v T  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） F^
T7u?^)  
 离轴角决定了截切区域 m2{z
 
Ps<)?q6(  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Y: KB"H  
.(CzsupY_q  
   ILF
"m;  
)Ah  
光束整形装置的光路图 ?_W "=WpC  
;csAhkf:S  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 qJ"dkT*  
 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。 %r6~5_A  
):LJ {.0R  
反射光束整形系统的3D视图 ;-^WUf|
 
L\_8}\  
pR 1v^m|  
YV{^S6M  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 @/anJrt  
 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）。 xfO!v>  
fBD5K3  
详述案例 f>ED  
gA2\c5F<  
模拟和结果 Lkk'y
})/  
+*)B;)P  
结果：3D系统光线扫描分析 ;N]ElwP  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 fn#b3ee  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 #hR}7K+@  
;c:vzF~Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd V}pw ,2s  
,UWO+B]  
使用参数耦合来设置系统 nsw.\(#  
a2Q9tt>Q  
,!%[CpM3  
自由参数： G0> 'H1Z  
 反射镜1后y方向的光束半径
tPC8/ntP8  
 反射镜2后的光束半径 jW
2z3.w  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 6=A++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。 :$/lGIz  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 +Z)||MR"  
oc\rQ?  
$Xz9xzOR  
cQgmRHZ]  
4d0PW#97.  
G:u[Lk#6K  
A8c'CMEm  
自由参数： 
QE<63|  
 反射镜1后y方向的光束半径 f} }Bb8  
 反射镜2后的光束半径 H -.3r  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） MfeW|  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 Lk#u^|Eq7=  
,E)bS7W  
N
?V5gi  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 #0G9{./C  
S
GNi~o  
a5Xr"-  
结果：使用GFT+进行光束整形 t4h05
i  
<Er|s^C  
qx0J}6+NlU  
v8 6ls[lzu  
qZ_^#%zO  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 v`y{l>r,  
tBrd+}
e2*  
]C)PZZI='  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 bB)EJCPq>  
PcUi+[s;x  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 .%WbXs  
u@|GQXC  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： w:MfaN*  
L8R|\Bx  
#
Y`U8n2F  
ut-UTW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Gtg;6&2  
apGf@b  
结果：评估光束参数 [R A=M  
\zj8| +  
wG^{Jf&@$  
 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。 @*%5"~F  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 g%4|vA8  
aeH 9:GQ6  
O;qS
3  
 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。 oxcAKo  
 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） P}?
,*'b  
O^U{I?gQ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd @#8F5G#
 
'^7Sa  
光束质量优化 9-bDgzk   
(U$ F) 7  
{CQA@p:Y}  
 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。 FE$)[w,m  
 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）。 _h@e.BtD
s  
YM
1@B`yWE  
结果：光束质量优化 +sgishqn9  
oWx! 'K6]V  
=C<_rBY  
 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。 uiDR}   
[[[p@d/Y  
#MOEY|6  
(MNbABZQ  
 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。） mjB%"w!S  
']}ZI 8  
Q3z-v&^E9  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd e7vPiQCc  
Zf?>:P  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 %G\rL.H|  
\J9@p  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Y}nE/bmx&9  
`;QpPSw+  
8LR_K]\  
 这意味着参数变化是的正态 7c+TS--  
#XC\=pZX  
~p8-#A)X,)  
/pX\)wi  
Z$HYXm  
 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。 7CM<"pV  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 }v@w(*)h:  
g-Z>1V  
#.FtPR  
=wI,H@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run }1d 6d3b  
_~5{l_v|I  
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） S G]e^%i  
*Pw;;#\B  
`4w0*;k;  
gt'0
B-;W  
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。 x*bM C&Ea  
d t0?4 d  
总结 yWt87+%T  
Q@/wn  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 >RF[0s'-  
1.模拟 JBi<TDm/  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ]#R;%L  
2.研究 <\2,7K{{+;  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 <E$5LP;:  
3.优化 }MXZ  
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。 VJZ   
4.分析 e)7[weGN  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 n1.]5c3p  
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。