[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Lt1U+o[ot  
XHsd-  
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 [O2h-`  
naz:A  
&=6%
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bV@7mmz:X+  
简述案例 &p5&=zV}  
TPHYz>D]  
系统详情 8xgJSk  
 光源 v~"Ef_`  
- 强象散VIS激光二极管 ~m=$VDWm  
 元件 4O!E|/`wO  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 9e~WK720=  
- 具有高斯振幅调制的光阑 3gpo %  
 探测器 2"@Ft()]  
- 光线可视化（3D显示） /
D[dO6.  
- 波前差探测  ="\*h(  
- 场分布和相位计算 Fn!SGX~kx$  
- 光束参数（M2值，发散角） ic-IN~J-  
 模拟/设计 gN?0m4[$i  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 <Nex8fiJ9  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： R
4b-M0H  
 分析和优化整形光束质量 3jF|Ic  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 HA!t$[_Ve  
9? 2  
系统说明 66Gx.tE  
UfR~%p>K  
Cxm6TO`-;  
模拟和设计结果 |5,<jyp  
~:[!Uyp0b  
数值探测器结果 R)+t]}  
0z`/Hn  
dQ9 ah  
P16YS8$  
/s|{by`we4  
总结  H4:ZTl_$  
B'}"AC"  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Nb;H`<JP  
1.模拟 b`CWp;6Y  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 WPo:^BD   
2.评估 bLbR IY"l  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 :p>hW!~  
3.优化 \dcdw*v@  
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。 X|
b2c+I  
4.分析 !>n|c$=;qk  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 p@ygne4  
-7%X]  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 #?Mj$ZB  
YEv L
hh  
详述案例 z/7$NxJH  
Jdj?I'XtY  
系统参数 lb~E0U`\E`  
l-.(Ez*  
案例的内容和目标 %NajFjBI  
WUEHB  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。  c%f_.MiU  
U O<:.6"  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 sJZ!sznn  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 W7=V{}b+  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 *1A&'T2  
qZk:mlYd  
模拟任务：反射光束整形设置 4(cJ^]wb^  
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。 x83a!9  
TDNf)Mm  
9V 0}d2d  
U \oy8FZ  
KE}H&1PjU  
bw4oLu?  
规格：像散激光光束 S%mfs!E>  
?+2b(2&MXE  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 2oVV'9;B  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 1||+6bRP  
U|@V 74  
#VGjCEeU  
}|wv]U~  
izZ=d5+K  
9YN?  
规格：柱形抛物面反射镜 V[;M&=,"  
                        
%.H
JK  
 有抛物面曲率的圆柱镜 QM<y`cZ8  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 /rc%O*R  
 曲率半径等于焦距的两倍 LM)`CELsYc  
7 sFz?`-  
\3XqHf3|o  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） $V>yXhTh  
BiwieF4x  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 K^[#]+nQ  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） $_;e>*+x  
 离轴角决定了截切区域 ZC0-wr\  
%O[N}_XHEh  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 0CExY9@Wq  
Shr,#wwM`B  
   3=0E!e  
~P*4V]L^  
光束整形装置的光路图 3ec`Wa  
39i
9wrP  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 -yAQ  
 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.Uju`3  
0(TTw(;  
反射光束整形系统的3D视图 nY%5cJ`"  
UUe#{6Jx_  
XGrue6ya  
YDJ4c;37  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 &a0r%L()X  
 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）。 'tgKe!-@  
6IcNZ!
j98  
详述案例 `:NaEF?Sj  
!YL..fb  
模拟和结果 _qwQ;!9  
Kv&g5&N,  
结果：3D系统光线扫描分析 8IQtz2  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 kOwMs<1J  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 SLL3v,P(7  
7cDU
2l  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd op2Of<{h  
$ ,Ck70_  
使用参数耦合来设置系统 9m2, qr|  
!|hoYU>@2L  
)-15 N  
自由参数： %]gTm7 =t  
 反射镜1后y方向的光束半径 3g'S\G@  
 反射镜2后的光束半径 (& "su3z  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） t_z>Cl^u  
 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。 ))kF<A_MK  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 3rW|kkn  
\W5O&G-C  
8`>h}Q$  
&F:IIo7  
p@!nYPr.  
`_I@i]i^  
h0--B]f@  
自由参数： 2,2Z`X  
 反射镜1后y方向的光束半径 !)"%),>}o  
 反射镜2后的光束半径 1/1Xk,E  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） }"vW4   
 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。 Ix@&$!'k  
=uk0@hy9b  
z<sg0K8z63  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 H`bSYjgM!  
EC2+`HJ"  
c .3ZXqpI;  
结果：使用GFT+进行光束整形 kE>0M9EdH  
ZRxZume<f  
5Wyz=+?m|  
S:4crI  
Ee)[\Qjn  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 XZ&KR.C,  
2]GdD*  
.7'kw]{/  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 h5%<+D<  
YBYZ=,"d  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 KoE8Mp  
n55Pv3}C  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： m }a|FS  
7{e{9QbJ4  
{FRAv(,\  
M;cO0UIwO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd bwVPtu`  
S)QAXjH  
结果：评估光束参数 ,fK3ZC  
)1N 54FNO  
[A}rbD K  
 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。 >AoK/(yL.  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 f|^dD`  
IG(?xf\C  
t+5E#!y  
 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。 o7mZzzP  
 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） 6x"Q  
Gl1jxxd  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd O: @}lK+H  
<;E
 
光束质量优化 ?$f)&O  
iXyO(w4D  
0sI1GhVR  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 ~/mwx8~  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 u6`=x$&  
*),8PoT  
结果：光束质量优化 |F9z,cc"  
&1+X\c+tb  
&/Ro lIHF  
 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。 4w#``UY)'  
J=pztASt  
!61Pl/uQ  
Pnd`=%w%]  
 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。） AuR$g7z  
Lh.`C7]
  
G^q3Z#P  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd kdb(I@6  
: tWU .f#  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 .uNQBBNv  
}I@L}f5N  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 9f\/\L  
&$`yo`  
L`th7d"  
 这意味着参数变化是的正态 3!5U
r&  
E*#]**  
]7;\E\o  
*^([ ~[  
FQ>`{%>  
 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。 C7H/N<VAq  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 qF 9NQ;  
/r12h|  
e" ]2=5g  
a>mm+L8y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run PMfkA!.Y  
q~o,WZG  
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） ]v#r4Ert  
1heS*Fwn'  
w[6J `
 
l2;CQ7  
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。 Q
dLYCR4f  
&Q}*+Y]G  
总结 )[
1)$-Ru  
O5H9Y}i]  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 N{-]F|XX  
1.模拟 z&V+#Ws/  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Q[+ac*F=Y  
2.研究 ?BhMjsy.  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ;/j= Ny{9  
3.优化 &K/Fy
Y5  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 p$ bnK]  
4.分析 a,78l@d(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 UX]L;kI  
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。