[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 5.9<g>C  
3T2]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 QJVbt  
i7Up AHd/  
RSp wU;o6z  
qSc-V`*  
简述案例 |vI`u[P  
R c+olJ^5  
系统详情 gw]%: WeH  
 光源 -fq  
- 强象散VIS激光二极管 _B0(1(M<2  
 元件 Q
7_5  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） !!y]pMjJa@  
- 具有高斯振幅调制的光阑 {]T?)!Vm  
 探测器 6Wu*zY_+  
- 光线可视化（3D显示） 7FG;fJ;&NZ  
- 波前差探测 hIJtu;}zU  
- 场分布和相位计算 zt(lV  
- 光束参数（M2值，发散角） l6/VJ~(}'  
 模拟/设计 y|5L%,i  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 51jgx,-|$  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： s?w2^<P  
 分析和优化整形光束质量 9n& &`r  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ~L)~p%rbi  
("9bV8:@B  
系统说明 h'y%TOob  
Y[{:?i~9,  
'ToE Y3  
模拟和设计结果 s#9q3JV0  
\MP~}t}c  
数值探测器结果 g#J`7n  
)+G"57p  
+%JBr+1#\  
TN(Vzs%  
iW5cEI%tb  
总结 $w0TEO!  
EeW ,-I  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 X1Yw=t~a  
1.模拟 DrK]U}3fh"  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 J9Ao*IW~  
2.评估 V8^la'_j  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Mog>W&U  
3.优化 Q|'f3\  
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。 +\eJxyO  
4.分析 v e&d"8+]  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 n{tc{LII/  
PCviQ!X  
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,=m\  
YuK+N  
详述案例 ?I}RX~Tgg  
m2PUU/8B/  
系统参数 >y3FU1w5d  
${f<}  
案例的内容和目标 m'rDoly"62  
=zkN63S  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 F@BpAl  
?doI6N0T  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 yHeL&H  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 xl&@g)Jj  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 O^L]2BVC  
1G>Ud6(3<  
模拟任务：反射光束整形设置 1d5%(:@  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 0AQazhm  
)bUnk+_  
^O07GYF  
_Mw3>GNl  
@{Rb]d?&F?  
@8L5UT  
规格：像散激光光束 ] ZV[}7I.  
CMj =4e  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ;UQGi}?CD  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 r w?wi}}gn  
.5|[gBK  
zp}7p~#k^  
^'`b\$km-0  
Z)@vJZ*7(  
5X{|*?>T  
规格：柱形抛物面反射镜 wvv+~K9jq  
                         wC1pfXa  
 有抛物面曲率的圆柱镜 }z`x-(V  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 67j kU!  
 曲率半径等于焦距的两倍 .S k+"iH5  
V(';2[)  
:?M_U;;z2+  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ,^/Wv!uPE  
CIW4E  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 x3+ -wv  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） wHLQfrl0  
 离轴角决定了截切区域 cMT7Bd  
A8% e_XA  
规格：参数概述（12° x 46°光束） K=gg<E<  
|Z:yd}d  
   25X|N=}   
,/f\  
光束整形装置的光路图 (0{Dn5MH  
g}_2T\$k  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 "~4V(  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 0#V"   
*AH`ob}  
反射光束整形系统的3D视图 cv'8_3  
/YJo"\7  
lNX*s E .  
#}7T$Va  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 $kUB%\`  
 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）。 Vn#}f=u\  
"r^RfZ;  
详述案例 ;\pr05  
IdmP!(u  
模拟和结果 g QBS#NY  
EQyX!  
结果：3D系统光线扫描分析 #2]*qgA4  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 cH_qHXi[G  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 [ja^Bhu  
}a"=K%b<\  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd qiz(k:\o  
B^2r4 9vC  
使用参数耦合来设置系统 bxa>:71  
vHi%UaD-y  
\(Ma>E4PNU  
自由参数： mm>l:M TF  
 反射镜1后y方向的光束半径 6u_i>z  
 反射镜2后的光束半径 c7CY
ul
m  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） OY1bFIE  
 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。 L?ZSfm2<  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 pA8bFtt  
I~l qg  
{V7mpVTX.  
qJG;`Ugl:  
c/Pql!h+  
d9[j4q_  
:Wbp|:N0  
自由参数： "M/c0`>C!i  
 反射镜1后y方向的光束半径 "L.k m  
 反射镜2后的光束半径 C@a I*+@-"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） > TYDkEs0  
 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。 (BY 0b%^  
GvtK=A$b
 

;!f='QuA  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 n
n F  
+.Vh<:?
 
"rMfe>;FJ  
结果：使用GFT+进行光束整形 `,4yGgD!4  
x<I[?GT=  
OV{v6,>O  
t,YRM$P  
g;Ugr8  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 QPm[4Fd{G  
I'xc$f_+  
[pU(z'caS  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 FWu:5fBZY  
YT-ua{.^  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 lL zR5445)  
vyS>3
(NZ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 
#~p;s>  
r(Sh  
PxYK)n9&  
B-g-T>8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @95p[  
@7}XBg[pI  
结果：评估光束参数 ou0TKE9 _  
(+gTIcc >  
=w`Mc\o"  
 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。 \JPMGcL  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 r)~?5d  
2|7:`e~h  
0WzoI2Q  
 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。 f\5w@nX  
 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） yLf9cS6=  
MR|A_e^x  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 9]N{8  
@~vg=(ic(  
光束质量优化 Pfs_tu  
2XL^A[?   
e!0xh  
 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。 $cn8]*Z=  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 m>+  
Xc+Yo
A0Ez  
结果：光束质量优化 F4~OsgZ'N  
Pz*BuL<  
`'|6b5`2j  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 .oM- A\!  
psvc,V_*  
b)a5LFt|  
<mP_K^9c  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） tX% C5k  
6Z1O:Bou  
,X|FyO(p  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 8p829  
*CGHp8  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 #IGcQY  
o_\vudXK  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 E`LaO  
t ^>07#z  
`hY%HzV
=  
 这意味着参数变化是的正态 4 dHGU^#WZ  
?r=`Kl  
zEQQ4)mA  
auIW>0?}  
_"F=4`lJ  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ~i?Jg/qcxN  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 t{UWb~"  
A'![*O  
[qxpu{  
Q,9KLi3  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Uf_mwEE  
C%z9Q  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） z1tD2jL_  
~
BTm6*'h  
6`7`herE}  
o9ys$vXt*  
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。 zxs)o}8icO  
9*JxP%8T~X  
总结 6(\-aH'Ol  
_@?I)4n|  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1Z_]Ge<a  
1.模拟 ej7N5~!,s  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 i`6utOq  
2.研究 r_ m|?U %  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 r.@UH-2c  
3.优化 XmO]^ `  
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。 EQ"_kJ>81Y  
4.分析 b* n#XTV  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 X,M
!Tp  
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。