[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） @"wX#ot  
N(3Bzd)  
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 [j0jAl  
6']G HDK  
O+/{[9s  
sx]{N  
简述案例 1$`|$V1  
,X;$-.  
系统详情 _18Z]XtX  
 光源 *'tGi_2?(  
- 强象散VIS激光二极管 
U#Iwe=  
 元件 6q!Q(_  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） }E[v
W  
- 具有高斯振幅调制的光阑 G9GHBwT  
 探测器 f6nuh&!-  
- 光线可视化（3D显示） Qwve-[  
- 波前差探测 +5 gX6V\  
- 场分布和相位计算 n_k`L(8*  
- 光束参数（M2值，发散角） 3Bvz& `\  
 模拟/设计 Y3s8@0b3  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 atw*t1)g  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： j}`ku9S~  
 分析和优化整形光束质量 xg8R>j  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 /3VO!V]u  
>< P<k&  
系统说明 W]_a_5  
_wX(OB  
~)[pL(4  
模拟和设计结果 y>#kT  
og~a*my3  
数值探测器结果 e@S$[,8  
!&3"($-U3G  
Y6.Bi  
7i'clB9!  
}Kp$/CYd  
总结 cLvnLaA}  
*5?Qam3  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 5|>ms)[RQ  
1.模拟 uEG4^  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 QMmZvz\^  
2.评估 }_}    
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 wZ69W$,p  
3.优化 Qh6vH9(D  
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。 O1\25D  
4.分析 )8'v@8;-  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ;l<Hen*  
9}Za_ZgG  
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。 -[pfLo  
/u`Opv&I
 
详述案例 ( ]0F3@k#s  
' V*}d  
系统参数 w5rtYTI  
Ey%[t  
案例的内容和目标 lbw+!{Ch  
I9rQX9#B  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 4:733Q3oK  
|id7@3leu  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 $uUyp8F  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 E[=&6T4  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Xc^(e?L4  
U3v~R4  
模拟任务：反射光束整形设置 "LW\osjen  
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。 zV;NRf) 9.  
6 OvH"/X4  
'MB+cz+v  
<
{hB&4oL  
!{ _:k%B  
.x/H2r'
1  
规格：像散激光光束 &e#pL`N  
+ut%C.1  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 g2*}XS3  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 3-n&&<  

UfV {m  
NS+uiy  
D&@ js!|5  
uC#]F@  
S$R=!3* "V  
规格：柱形抛物面反射镜 0"
+QWh  
                         :B|rs&  
 有抛物面曲率的圆柱镜 jGJf[:M&Pm  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 /X#OX8gb]  
 曲率半径等于焦距的两倍 z&um9rXR  
K:Z,4Y  
7Wiwnv_"  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ?qn4ea-\P  
e%{7CR'~TD  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 P9Eh,
j0_  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） {_z6  
 离轴角决定了截切区域 '-G,7!.,r%  
-XkjO$=!=  
规格：参数概述（12° x 46°光束） -GQ.B{%G
 
LUz`P6  
   4"{g{8  
2"P1I
  
光束整形装置的光路图 ?V_v=X%w  
73tjDO7d  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 !VrBoU4<d  
 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。 c\tw#;\9  
9jl\H6JY|  
反射光束整形系统的3D视图 o$*DFvk  
*]kE3  
a"1LF`  
0&r}
'f?  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 `fVzY"Qv k  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。  TL
Vfu4  
*0'{n*>  
详述案例 Esg:  
{c&9}u$e  
模拟和结果 #SD2b,f  
)coA30YR  
结果：3D系统光线扫描分析 S%7bM~J@  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 v yP_qG  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 D6e<1W  
{z'Gg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 7bJM $   
$.B}zY{  
使用参数耦合来设置系统 W$Aypy  
&N%-.&t'  
)
oS~ish  
自由参数： _,-\;  
 反射镜1后y方向的光束半径 y
G>sBc  
 反射镜2后的光束半径 X<1ymb3  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0nlh0u8#  
 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。 DFGgyFay  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 icK U)  
rj5)b:c}  
[Kbna>`  
SC2g5i`  
Ew9MWlk  
\nQEvcH  
mj y+_  
自由参数： *I9G"R8  
 反射镜1后y方向的光束半径 a1weTn*  
 反射镜2后的光束半径 o`}8ZtD  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） #P1;*m  
 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。 fAvB!e  
%';DBozZ  
`k08M)  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 rO1.8KKJ  
$,Y?qn/  
bW'Y8ok[v  
结果：使用GFT+进行光束整形 vF@.B
M>  
G&7 } m  
^}GR!990  
jg3['hTJT  
1
+Y; "tT  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 @jD19=  
q{)Q ?E  
lt}U,p,S  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 HYg7B  
m$q*  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 .MRLAG  
.GPuKP|  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： h
^b=  
sZU Ao&  
;{cl*
EN  
#kQLHi3##  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd QOF'SEq"k  
jY\YSQ  
结果：评估光束参数 Wy$Q!R=i  
2l4`h)_q  
<NMOs"NB  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ]^l-k@  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 XpOQBXbt  
gr$H?|n l  
*(<3 oIRS  
 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。 VnMiZAHR  
 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） N" oJ3-~  
k+cHx799  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd z[_Gg8e  
^kj%Ekt7  
光束质量优化 Bk~M^AK@~  
1uhSP!b  
rkWW)h(e  
 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。 px_%5^zRQ  
 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）。 1Aa=&B2  
MT@Uu  
结果：光束质量优化 NW;wy;;  
j-etEWOTr  
J)Td'iT(  
 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。 V?cUQghHg  
jl4rEzVu  
R0mWVgoz  
u@zBE? g  
 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。） YY<e]CriU  
P(Hh%
9'(  
tt>=V
t'  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 'GcZxF0  
/-ky'S9  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 hC=="4 -  
O
k~\  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 b%,`;hy{  
V]9?9-r  
jVu3!{}  
 这意味着参数变化是的正态 U9B|u`72  
lq!l{[Xp  
c =i6  
VIxcyp0X  
CR$5'#11)  
 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。 ?5 d3k%  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 "2bCq]I0  
I2'UC) 0  
C,D~2G  
w~g)Dz2G  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run  `#lNur\x  
4<&`\<jZ  
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） : LI*#~'Ka  
vH#^|u  
L1k_AC1.M
 
NUH#  
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。 fm\IQqIK%  
)y:~T\g  
总结 wy$9QN  
f+huhJS5e  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 [?hc.COE  
1.模拟 8+1tys  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 .r?-O{2t  
2.研究 (v8jVbg  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 j>Htaa  
3.优化 HLU'1As65  
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。 \6xVIQ& 0  
4.分析 T
!)v9L  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 e;<=aa)}?  
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。