[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） kA?X^nj@  
j9{O0[v  
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 pYYqGv^oa  
H+S~ bzz  
SNQz8(O  
&?P=arU  
简述案例 it(LphB8  
^</65+OT+  
系统详情 %4bO_vb<9  
 光源 aR`_h=a  
- 强象散VIS激光二极管 (%``EIc<8  
 元件 |pfhrwJp  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 6a "VCE]  
- 具有高斯振幅调制的光阑 #Tr;JAzVjG  
 探测器 o?:;8]sr!  
- 光线可视化（3D显示） *>H
M$.?Q  
- 波前差探测 CBiU#h q  
- 场分布和相位计算 >wz;}9v  
- 光束参数（M2值，发散角） {DKXn`V  
 模拟/设计 @5{.K/s  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 kvMk:.  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： O"_e
rH\nk  
 分析和优化整形光束质量 i /O1vU#  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 g*:ae;GP  
d$2@,  
系统说明 *(?U  
+=|hMQ;  
ig2{lEkF  
模拟和设计结果 hQgk.$g  
V_)5Af3wY  
数值探测器结果 e%P+KX  
@-)<|orU4  
!Iw{Y'  
0EL\Hd   
#rn4$  
总结 viW~'}^k7  
%NF<bEV  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 =oL8d6nI  
1.模拟 7Y-FUZ.`>  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 /|4Q9=  
2.评估 no~OR Q  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 blKDQ~T2  
3.优化 c,v^A+sZu  
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。 A}>|tm7|  
4.分析 VxUvvJ{-v  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 #~bU}[{  
9IS1.3  
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。 {pcf;1^t  
H(5S Kv5  
详述案例 _~X8/p/Qh  
x
'E'jh%  
系统参数 lfU"SSQ  
_ 6+,R  
案例的内容和目标 p6&LZ=tL3  
%5Q
7#xU  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 J)7,&Gc6  
_1w.B8Lyz@  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Xm"w,J&  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 'Yaf\Hp  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Dg9--wI}I9  
%KJ"rvi4K  
模拟任务：反射光束整形设置 Z`-)1!  
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。 ?J^IAFy  
L337/8fh  
GsP@ B'  
}AMYU>YE=  
()JYN5  
b:}wR*Adc  
规格：像散激光光束 6SW|H"!!  
N27K  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束  m+72C]9  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 C,OB3y  
z._C*c  
c"f-$^<  
2g ?Jb5)  
b.mjQ  
^-e3=&  
规格：柱形抛物面反射镜 +Y
Q)}v  
                         a>)_ `m  
 有抛物面曲率的圆柱镜 8T>3@kF  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 k$$S!qi#  
 曲率半径等于焦距的两倍 E5Snl#Gl\0  
=#POMK".6  
M@!]
U:5~V  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） MQ9M%>
 
?j&~vy= T  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 (?*mh?  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） H649J)v+m  
 离轴角决定了截切区域 $.r}g\43P  
dFI.`pB  
规格：参数概述（12° x 46°光束） @ 2%.>0s.  
AXNszS%4  
   ~u?x{[  
:uT fhr  
光束整形装置的光路图
DMK"Q#Vw  
>"sKfiM)b  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 6bRQL}[  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 `F-Dd4B  
|$.sB|_ N  
反射光束整形系统的3D视图 1v[#::Bs  
<750-d!  
^)C$8:@  
',J%Mv>Yf  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 V%
{9o  
 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）。  jKb=Zkd  
H z< M  
详述案例 vUIK4uR.  
bb O;AiHD  
模拟和结果 [hv3o0".  
0\_R|i_`>  
结果：3D系统光线扫描分析 MeK\eZ\  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。
(W}i287  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 PU@U@  
i/O,`2  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @h7GTA \  
o
Vuj020  
使用参数耦合来设置系统 C(%5,|6  
("P mB?20  
L/ICFa.G  
自由参数： n4r( Vg1GS  
 反射镜1后y方向的光束半径 whg4o|p  
 反射镜2后的光束半径 ! 4^L $  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） w3?t})PB&  
 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。 @=zBF'<.9  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Kj<<&_B.H  
[%)B%h`XGf  
{;z L[AgCg  
ae(]9VW  
BI]ut|Qw  
GE3U0w6WbK  
cwW~ *90#  
自由参数： Ci#5@Q9#w  
 反射镜1后y方向的光束半径 iDkWW  
 反射镜2后的光束半径 T=p}By3a  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ##+8GLQM  
 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。 }HQT@&=  
G'}_ZUy#  
)i6U$,]  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 >0;"
qT  
[q+39  
CR<pB)F?a  
结果：使用GFT+进行光束整形 j BQqpFH9  
y88}f&z#5  
,
"MUfZ  
v%8-Al^G  
y@8399;l  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 6~Oje>w;  
kA:;c}p  
zl8\jP  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 [\M?8R$)  
m
"m;(T{ v  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 R\Ynn^w  
8/kO9'.P  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ZwrYss  
[t=+$pf(-  
ORPl^n-  
|`D5XRVbi  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0v)mgrl=,  
fD}]Mi:V  
结果：评估光束参数 _TcQ12H 5<  
om39;nk!}  
]}Hv,a   
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 iU+,Jeu  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 GDQg:MgX  
sL`D}_:  
S@2Jj>3D?  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 5OqsnL_V  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） #w?%&,Kp  
o|n0?bThS-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd <^
c0bY1  
D~?*Xv]s~  
光束质量优化 MJR\ g3  
"&o@%){]  
5<8>G?Y  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 <@ex})su  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 /%'7sx[p  
w3|.4hS  
结果：光束质量优化 ,ui'^8{gK  
MZMv.OeYt,  
en6AAr:U}  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 T ]nR XW$  
=` >Nfa+,  
bD[W
~ku  
/*2W?ZM~H  
 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。） Y$5v3E\uc  
&`y_R'  
;8Q?`=a  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 7Ki7N{Kt  
f5XcBW9E  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 JKv4}bv  
7uH{UpslJ  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 %31K*i/]  
.ihn@eg  
TbM*?\7  
 这意味着参数变化是的正态 ,(?4T
~  
(MU7  
u<r('IW0  
3nGK674;z  
#`wfl9tj  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 .tZ$a_O  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 /P}tgcs  
l),13"?C(  
"Z?":|%7  
itM
c!bUQ  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run }+Z;zm@/6  
QZP;k!"w  
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） \:28z
  
UZ0O j5B.  
NT:>.~ah@&  
*M5C*}dl  
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。 .b)(_*  
oK[,xqyA  
总结 o
: DnZN  
AU\!5+RDB  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9Dkgu^`  
1.模拟 +& Qqu`)?F  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 1S@k=EKM  
2.研究 \dbtdhT;Z  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
g 0=t9J  
3.优化 5mBk[{  
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。 `N,Jiw;bw  
4.分析 $$>,2^qr&L  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 c(JO;=,@9  
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。