[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ^ DaBz\  
qh9Z50E9  
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 >/l? g5{  
f .Q\Z'S^  
o /j*d3  
@ [:ZS+1  
简述案例 s}w{:Hk,x8  
a1EOJ^}0  
系统详情 5gYRwuf  
 光源 'u*DA|HC  
- 强象散VIS激光二极管 y
v t.  
 元件 U{2BVqM  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ULs\+U  
- 具有高斯振幅调制的光阑 /rWd=~[MO  
 探测器 ojaws+(& y  
- 光线可视化（3D显示）
Q6PHpaj  
- 波前差探测 '(U-(wTC'/  
- 场分布和相位计算 EK{Eo9l  
- 光束参数（M2值，发散角） ur)9x^y  
 模拟/设计 t|g4m[kr  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 tXNm$Cq.|  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： wH>a~C:  
 分析和优化整形光束质量 Gr*r=s  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 )eUh=eW  
Sc\*W0m  
系统说明 zZL6z4g  
3@kf@Vf  
GWZ }7ake  
模拟和设计结果 \H1(PA  
.YhA@8nc~l  
数值探测器结果 B,?T%  
<c2E'U)X  
KI)M JG:t  
C[ NSkr  
>")Tf6zw&  
总结 3eb%OEMYk  
Bo)3!wO8  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ^yWL,$  
1.模拟 `g(Y*uCp  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 MLXNZd  
2.评估 3x`|  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 SWH2  
3.优化 5 h-@|t  
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。 2M.fLQ?  
4.分析 I3aNFa}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 "Lzi+1  
Y\D!/T  
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。 H3z:

ZTI  
`.E[}W
  
详述案例 HJ9Kz^TnC  
t)~"4]{*}D  
系统参数 Lf16j*}-Q  
\d6C%S!  
案例的内容和目标 APvDP?  
8L,5Q9 $  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 -)w@f~Q  
C
Nih6R  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 p, h9D_  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 x.]i}mt  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 )B T   

xe]y]  
模拟任务：反射光束整形设置 .8@$\ZRP  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Iox
gjUa  
gR&Q3jlIV  
rV2WnAb[H&  
L9r8BK;  
v_<rNc,z-s  
P2NQHX  
规格：像散激光光束 *T-<|zQ  
)Lk639r  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 HguT"%iv  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Vy6qbC-Kt  
6@Y_*4$|  
6hw=  
oQLq&zRH`f  
&TnS4O  
)SaGH3~*C  
规格：柱形抛物面反射镜 v:f}XK<  
                         -C;^3R[ O  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ?8I?'\F;  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 fFMlDg[];  
 曲率半径等于焦距的两倍 4qO+_!x{)  
"~#3&3HVS  
n
3T>QgK  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） )fF
b_U  
7TgOK   
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 K`yRr`pW  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ]}Mj)J"m  
 离轴角决定了截切区域 (iBNZ7sJ  
BHIRHmM<Y  
规格：参数概述（12° x 46°光束） bZ?v-fn\D,  
A^nvp!_  
   -j+UMlkB  
!Xh=k36  
光束整形装置的光路图 L(/e&J@><  
Y4OPEo5o  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 i)o2klIkB  
 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。 [/,)  
hjU::m,WX  
反射光束整形系统的3D视图 bh
s5x  
4qphA9i1  
xj<Rp|7&  
vV'EZ?  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 o906/5M  
 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）。 aKV$pC<[o  
Bz_^~b7  
详述案例 _A M*@|p,  
r  [9x  
模拟和结果 
.4_o>D  
z F_M*8=  
结果：3D系统光线扫描分析 @y e4q.m  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Bp*K]3_  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 8/DS:uM  
@*F"Q1 wI  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Ot$-!Y;<  
pe0F0Ruy
 
使用参数耦合来设置系统 ~<P 0]ju  
bo<~jb{  
 NO2XA\  
自由参数： t#yk->,  
 反射镜1后y方向的光束半径 (ScxLf=]  
 反射镜2后的光束半径 n+! AnKq  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 7WZr
SC  
 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。 g6W)4cC8a  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 fs|)l$Rd  
_geWE0 E  
A]y`7jJ  
'QG xd!4  
cO-7ke  
?42<J%p  
iF*:d  
自由参数： *zNYZ#  
 反射镜1后y方向的光束半径 ,V'o4]H  
 反射镜2后的光束半径 \/E>4)MDy  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） i}b${no  
 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。 sJ\BF  
<3(LWxw  
+_7*iJtD5  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 C#QpQg2  
|o,YCzy|5  
z_g~  
结果：使用GFT+进行光束整形 @)IjNplYkw  
6.FY0.i  
6~OoFm5  
o-;E>N7t  
6L:x^bM  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ml2_ ]3j!  
xE1 eT,  
ai}mOyJs  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 (VS5V31"  
?=>+LqP  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 d^/3('H6  
fz;iOjr>  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： | H!28h  
B! rTD5a  
H/,gro  
YTAmgkF\4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;V@WtZv  
ko1J094Y%  
结果：评估光束参数 JROM_>mC  
IOTR/anu  
*?o{9v5}(  
 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。 8'n/?.7cX  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 {-
ZFp  
WegtyO  
!GOM5z,  
 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。 =b38(\  
 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） lT4Hn;tnN  
`/_o!(Z`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd l;af~ef)'  
W>!_|[a  
光束质量优化 t c[n&X  
r`%+M7  
pa#d L!J  
 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。 .e3NnOzyxS  
 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）。 za#s/b$[  
@|LBn6q  
结果：光束质量优化 El<]b7  
V7#Ffi  
8iW;y2qF  
 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。 7:Ax(El  
CxGx8*
<X  
HfcL%b%G8  
MzPzqm<  
 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。） -DxL0:E  
qs|mj}?  
[qdRUV'  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd kR]!Vr*yh  
dX\.t<  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 6)z?f4,  
W-Fu-Cz=  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 /V=24\1Ky  
$f,n8]  
x8!ol2\`<  
 这意味着参数变化是的正态 :*t"8;O[  
nM\eDNK  
\Z^TXyu  
3VI4X  
>:zK?(qu,N  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ,B08i o-  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 cKN$ =gd  
vgD {qg@  
Kh(ZU^{n  
FvN<<&B  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run J~B<7O<?!1  
{*[\'!d--.  
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'(N
e=y
 
/D5`  
76wc,+  
hj  
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。 /R~1Zj2&  
( xXGSx  
总结 z?[r  
rm4.aO~-F  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 N-jTc?mT~&  
1.模拟 !iH-#B-
 
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 8i|w(5m;  
2.研究 n8uv#DsdK  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Y7#-Fra0W  
3.优化 rSxxH]-  
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。 TlI<1/fP}  
4.分析 ^Y u6w\QM
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 NM]s8c
K_  
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。