[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） /$NZj"#  
E+$%88  
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 RC>79e/u<  
#2qDn^s  
7g&"clRGO  
0l&#%wmJ,  
简述案例 \sZT[42  
dnW#"  
系统详情 8M&q  
 光源 v62M8r,Y  
- 强象散VIS激光二极管 -{ M(1vV(=  
 元件 _)U[c;^6  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 'l7ey3B%  
- 具有高斯振幅调制的光阑 fCa*#ME  
 探测器 V+'C71-P  
- 光线可视化（3D显示） $
>csm  
- 波前差探测 6b6rM%B.oD  
- 场分布和相位计算 S7Tc9"oqV  
- 光束参数（M2值，发散角） Z\9DtvV
 
 模拟/设计 4ZAnq{nR4  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 v3q.,I_  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： `1fNB1c  
 分析和优化整形光束质量 vl,Ff9  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 nB .?=eUa  
8,DY0PGP  
系统说明 JsZLBq*lP  
b|'{f?  
Pv#>j\OR&  
模拟和设计结果 aR0'$*3E  
c?H@HoF  
数值探测器结果 cFF'ygJ/  
jMV9r-{*+  
CqkY_z  
AwQ7Oz|(  
yy(.|  
总结 Q%Fa1h:2&  
s`63 y&Z[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 9-( \\$%  
1.模拟 $YztLcn  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。
3UX/  
2.评估 vkgAI<  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 V[RsSZx =  
3.优化 /nas~{B  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 u4
QBD5T"  
4.分析 5dXDL~/2p  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 @}+F4Xh,L  
px>g  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 &o]ic(74c?  
qQ T^d  
详述案例 5%K(tRc|  
(S)jV0  
系统参数 OB5t+_s  
J7Y lmi  
案例的内容和目标 ^2}p%j>  
*< ?~  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 W#sCvI@  
k0^t$J W  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 1 LUvs~Qu  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 N*NGC!p`N  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 8^2E77s4U  
>9i%Yuy](  
模拟任务：反射光束整形设置 5`QN<4?%  
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。 eX3|<Bf  
^EFVjGM  
YU6D;  
4E0 Y=  
<[Y@
<  
/)/>/4O  
规格：像散激光光束 WN6%%*w  
G
'c6%;0)  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ,he1WjL  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 `Dp_c&9]  
qtYVX:M@,  
t1rAS.z&  
cOrFe;8-.  
DNmP>~  
!'f.g|a  
规格：柱形抛物面反射镜 }]!?t~5*  
                         RQQ\y`h`  
 有抛物面曲率的圆柱镜 sHn-#SGm  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ,WgEl4  
 曲率半径等于焦距的两倍 -kkpEw\  
V \Sl->:  
B82SAV/O  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Q=n2frW(T  
/P koqA,  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Q8?:L<
A  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Uxb>)36I  
 离轴角决定了截切区域 ['JIMcD  
|Q*OA  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 4KnrQ-D  
7?W
1i{(  
   :/~TV   
s^zX9IVnp  
光束整形装置的光路图 i=AQ1X\s  
uB>OS1=  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 '8V>:dy>  
 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*J@OY8i  
mr<camL5  
反射光束整形系统的3D视图
{No Y`j5S  
'Fr"96C$  
X|Rw;FY  
WNcJ710k27  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 %pBc]n
@_  
 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）。 #CTeZ/g  
r9y(j z  
详述案例 X3Yi|dyn T  
u)9YRMl  
模拟和结果 =.\PG[  
@;`d\lQ  
结果：3D系统光线扫描分析 bD4aSubN  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 vV*i)`IXe  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 u=f}t=3  
n?}7vz;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd G'0JK+=o  
'v0(ki#  
使用参数耦合来设置系统 @G?R(  
#H-
EOXy  
Ac8t>;=&  
自由参数： %shCqS  
 反射镜1后y方向的光束半径 &b9bb{y_$K  
 反射镜2后的光束半径 |?<^
4U8  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 9`T2  
 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。 |DkK7gw  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 v]c+|
nRs  
?G<.W
[3  
+V9<ug6T  
G^2%F5@  
"a=dx| Z  
Y^-D'2P]P  
|<!xD iB  
自由参数： E@CK.-N|  
 反射镜1后y方向的光束半径 8Bwm+LYr-  
 反射镜2后的光束半径 PsO>&Te2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） c
xpG6c  
 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。 &@fW6},iW  
Zr|z!S?aSC  
l9vJ]  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ,&iZ*6=X?0  
H{I,m-  
nXAGwU8a  
结果：使用GFT+进行光束整形 $8WeWmY  
i<-a-Z+^  
Wo7`gf_(  
oz&RNB.K  
t-?#x   
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 !P@4dG  
V#TNv0&0  
ra}t#Xt`  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 SdNxSD$Q  
tKYg  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 S0H|:J  
Zy=DY  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： "w{$d&+?ag  
X6so)1jJ  
Wiere0 2*  
o(eh.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd NKMVp/66D  
'H-hp   
结果：评估光束参数 Tl L\&n.$  
2U&+K2  
g>;"Fymc'  
 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。 ~ugH2jiB  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ?e2G{0
V  
`2hLs _  
46gDoSS  
 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。  [ @9a  
 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） u]sxX")
 
zvR;Tl6]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd bwe)_<c  
J6gn
!  
光束质量优化 _71&".A  
:4[_&]H  
JQ9+kZ  
 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。 8u7QF4 Id  
 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）。 kJpr:4;@_  
lY[\eQ 1:  
结果：光束质量优化 BMItHn].  

[BKOK7QK|  
K&BaGrR  
 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。 aEn*vun  
5#mHWBGd7  
*0x!C8*`Xe  
~T!D:2G  
 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。） ;jh.\a_\  
qAi:F=> X  
ufo\p=pGG  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd  GjyTM  
't+'rG6x  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ? kCo/sW  
#6mr'e1  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Q}|0  
g=jB'h?  
t(1gJZs>kX  
 这意味着参数变化是的正态 zICAV -&  
EpK7VW  
R~BFZF>:  
{v*X}`.h  
C:z7R" yj  
 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。 +>Pq]{Uf1j  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 F&HvSt}l5  
WF-^pfRq~  
n^` `)"  
d(^3S>V|q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run (dP9`Na]  
Se|h]+G  
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） (@Eb+8Zd  
qdo_YPG  
zS'{F>w  
rh T!8dTk  
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。 h9QQ8}g  
e#@u&+K/f  
总结 h<i.Z7F;tj  
0%qM`KZC  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Sg1,9[pb  
1.模拟 .}Hs'co  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 d>wG6Z,|  
2.研究 @B9#Hrc  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 S+l>@wa)|  
3.优化 = Q"(9[Az  
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。 at(gem   
4.分析 P_(<?0l  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 M7ug< 8i  
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。