[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Vm\zLWNB  
;YY<KuT  
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 oF>`>  
#J3o~,t<  
wU!-sf;]y  
()Kaxcs?+  
简述案例 \1joW#  
CF','gPnc  
系统详情 (>A#|N1U  
 光源 [ !#Dba#  
- 强象散VIS激光二极管 ;@ixrj0u  
 元件 #GlFm?/6K/  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） }=R0AKz!Cv  
- 具有高斯振幅调制的光阑 R/"-r^j  
 探测器 S-o
)d  
- 光线可视化（3D显示） -r<8mL:yW  
- 波前差探测 9q$^x/
z!  
- 场分布和相位计算 -ak.wwx\  
- 光束参数（M2值，发散角） X9|*`h<  
 模拟/设计 h7fytO  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 0(Y,Q(JTo&  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 4[x`\  
 分析和优化整形光束质量 zn^7#$fC  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 lMu9Dp  
6M7GPHah  
系统说明 R[jFB 7dd  
S@3`H8 [  
GB}\7a  
模拟和设计结果 ~A5NseWCK  
KzV|::S^  
数值探测器结果 @d~]3T  
:3R3>o6m  
cq?,v?m  
Z7pX%nj_  
C}<e3BXc  
总结 dl8f]y#Q  
?'a>?al%>  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ]!^wB 3j  
1.模拟 ;}f {o^]'  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 5<`83;R9  
2.评估 ktynI
N  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 iR9duP+  
3.优化 iOhX\@&  
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。 xLFMC?I  
4.分析  u? >x  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ~E8/m_> rU  
. G25D  
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。 n_]B5U  
!9HWx_,|Z  
详述案例 {
ixKc  
*a\x!c"  
系统参数 9]
ZfSn)  
W0mvwYON[  
案例的内容和目标 X6Z/xb@  
}z/%b<o_  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 H1q,w|O9j  
5655)u.N8  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 "2-D[rYZ  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 !mqIq}h  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 /^jl||'H,:  
ndDF(qHr  
模拟任务：反射光束整形设置 hP WP6;Z  
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。 @>$qb|j  
@N<h`vDa  
N.Q}.(N0  
NQuqM`LSQ  
5c}loOq  
}BT0dKx  
规格：像散激光光束 /CyFe<t  
(U$;0`  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 2#yDVN$  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 |%|Vlu  
Tr}XG  
C7W<7DBf  
?-2s}IJO  
B>cT<B  
IIGx+>  
规格：柱形抛物面反射镜 iT|7**+3  
                         ~;]zEq-hG  
 有抛物面曲率的圆柱镜 hg<[@Q%$o  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 .]4MtG  
 曲率半径等于焦距的两倍 2/A*\  
`S-%}eUv  
-\B*reC  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） -@]b7J?`k  
*CQZ6&^  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 FAc^[~E  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） &M3KJ I0L  
 离轴角决定了截切区域 \5j}6Wj  
O<|pw
  
规格：参数概述（12° x 46°光束）
#ucb  
p{ZyC  
   mqsAYzG  
NySa%7@CD  
光束整形装置的光路图 \JR^uJ{Y  
[742s]j  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 %;u"2L0@  
 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。 ] `q]n  
`x>6Wk1  
反射光束整形系统的3D视图 )/Eu=+d  
rx9y^E5T`;  
{SXSQ'=  
S#yGqN0i  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 v#s*I/kw  
 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）。 [7r^fD A  
o-l-Z|)7  
详述案例 KkpbZ7\@  
[S~Bt78d%r  
模拟和结果 dcq18~  
1$C?+H  
结果：3D系统光线扫描分析 HIE8@Rv/3  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ^
LB]  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Wuk8&P3  
xz.M'az\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @K*W3&TO  
-z-yk~F  
使用参数耦合来设置系统 K*,,j\Q.  
Q}<QE:-&E  
?ILjt?X8  
自由参数： ,#GB  
 反射镜1后y方向的光束半径 1(>2tEjYT  
 反射镜2后的光束半径 |=,jom  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） kF,ME5%  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 Hsv
)] %p  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 u=]*,,5
<  
f##/-NG  
sSGXd=":  
]yqE6Lf9  
} d8\ Jg  
1t^9.!$@y  
ErJ@$&7  
自由参数： =0PGE#d{t  
 反射镜1后y方向的光束半径 cbm;45 L|  
 反射镜2后的光束半径 ao.vB']T  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） P3=#<Q.  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 'yA/sZ  
_$D!"z7i  
3)?WSOsL:  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 -gba&B+D"  
C%]qK(9vvd  
f`/('}t  
结果：使用GFT+进行光束整形 hjFht+j
1  
X?< L<:.  
SVn@q|N  
kb/BEJ  
HOPy&Fp  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 VX8CEO  
|Z2"pV  
ceCO*m~  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 &Q}%
b7  
6\K\d_x  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 :@-yK8q's  
aD'Ax\-  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ]plp.f#av  
|_8l9rB5ip  
H6jt[  
R@tEC)Zn  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 3Os0<1@H  
GtZ.'?-  
结果：评估光束参数 w <"mS*Q  
A]i!131{w|  
es#6/  
 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。 wik<#ke  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。
%3#C0%{x  
`#`jU"T|  
CZe
Zk  
 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。 H7;,Kr  
 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） VR&dy|5BO  
CyYr5 Dz  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd il!B={  
,&M#[>\(3  
光束质量优化 rQ]JM  
vGh>1U:  
MO7R3PP  
 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。 vBF9!6X.  
 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）。 a*.#Zgy:lK  
?H@<8Ra=3  
结果：光束质量优化 0^uUt-  
L;j++^p  
"uIa
K
b  
 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。 @Bhcb.kbq  
YOGj__:  
b$#b+G{y  
7f ub^'_  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） T9Juq6|  
sHk>ek]2I  
"H`Be  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd -6NoEmb)\'  
QOg >|"KL  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 0^o/cSF  
C&vi7Yx  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 gz[3xH~  
[{u3g4`}  
!\BZ_guz  
 这意味着参数变化是的正态 Q#SQ@oUzD  
>Q=^X3to  
Q35\w
Q#  
t&{;6MiE  
At=d//5FFP  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 llX `  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 -2J37   
04;s@\yX4  
-NN=(p!<  
&Q?@VNi  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run wxh\CBxG  
MAFdJ+n#  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） +c<iVc|  
]&Y^  
Z8xB a0  
1r$-Uh  
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)}[!'<rR  
Ri"hU/H{  
总结 X=]utn  
Kh$"5dy  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 d8jH?P-"  
1.模拟 #c@&mus  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 s)qrlv5H  
2.研究 ;Hk3y+&]a  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 _(h=@cv  
3.优化 04|ZwX$>+  
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。 8ex;g^e  
4.分析 N?vb^?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 7<WS@-2I#  
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。