[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Y%"73.x  
KDUa0$"  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 tuWJj^  
l$mfsm|{:  
|WMP_sGn  
{S2? }  
简述案例 n k@e#  
4y$tp18  
系统详情 HAOl&\)7"_  
 光源 =U)e_q  
- 强象散VIS激光二极管 %g+*.8;"b  
 元件 +,$ SZO]  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） e/*T,ZJ  
- 具有高斯振幅调制的光阑 |bWvQdN  
 探测器 "T0s7LWp  
- 光线可视化（3D显示） B4d\4S_r%  
- 波前差探测 nPh|rW=  
- 场分布和相位计算 8IrA{UU  
- 光束参数（M2值，发散角） yWkg4  
 模拟/设计 {T2=bK~  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 xfsf  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 8n`O{8:fi  
 分析和优化整形光束质量 O>)Fl42IeD  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 1NI%J B  
+`D,7"{Eu  
系统说明 ` 0}z ;&:  
}_vUsjK  
YKtF)N;m]  
模拟和设计结果 K[/sVaPZ  
0S}ogU[k  
数值探测器结果 R3,O;9i  
AIK99  
jXu)%<  
Fu;\t 0  
e <]^7pz  
总结 THcK,`lX@  
We51s^(  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 52H'aHO1  
1.模拟 /yhGc}h  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 +T|M U  
2.评估 KbP( ;  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 5UU1HC;C  
3.优化 g$P<`.  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 zJ9[),;7B  
4.分析 XoZPz  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 Q(gc(bJV  
C[0*>W8o  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 vvvH5NRm  
BXx0Z %e.3  
详述案例 VP\'p1a  
w,/&oe5M+  
系统参数 md.#n  
) }.<lSw  
案例的内容和目标 H,Ik&{@j  
U.mVz,k3  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 dd=';%?  
o fw0_)!Q  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 f5p:o}U*  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 `~ ,  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ZM$}Xy\9  
H)u<$y!8  
模拟任务：反射光束整形设置 YN<:k Wu  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 1_Ag:>#X  
aOWfu^&H:  
bm Hl\?  
n@ rphJb  
h9J%NH  
-kZOve|5  
规格：像散激光光束 PX%Y$`  
=Y;w O8  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 }%m:^*@$9  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 iR`c/  
%?`TyVt&0  
2S`D7R#6s  
Ln2dD>{2  
`VB]4i}u  
K$K6,54y  
规格：柱形抛物面反射镜 afJ`1l  
                         iCK p"(kf  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Ry+Ax4#+(y  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 NE'4atQ|  
 曲率半径等于焦距的两倍 e,0y+~  
/'S@iq  
x9&{@ ?o  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） S9'8rn!_  
/!//i^  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 Fo0dz  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） >#jfZ5t  
 离轴角决定了截切区域 !VF.=\iH/  
O_n) 2t(c?  
规格：参数概述（12° x 46°光束） /%'>?8/  
ML|O2e  
   'aFjyY?%  
5NT?A,r"  
光束整形装置的光路图 y_mD9bgW  
[`u3SN/P  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Z6Owxqfht  
 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。 Tn'_{@E;  
GOx+%`.R\  
反射光束整形系统的3D视图 \vU1*:3  
IQz:DJ  
BWd{xP y  
jw^Pt~@
  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 m3La;%aA0  
 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）。 ^3qo%=i  
:=I@<@82W  
详述案例 ]nEZQ+F  
~BSE8M+r  
模拟和结果 o,#[Se*n  
Ckelr  
结果：3D系统光线扫描分析 ;g0p`wV  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 5tIM@,.I/  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 wGXnS"L!  
x9c/;Q&m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c2,1d`  
vw'`t6  
使用参数耦合来设置系统 :tv:46+s=  
\;b)qB  
-]uN16\ F  
自由参数： 2rr}5i)
r|  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]lKQwpX3  
 反射镜2后的光束半径 +&w=*IAKZ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 1b6ox6  
 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。 t:|+U:! >  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ;U +;NsCH  
RawK9K_1  
OYWW<N+R2  
| Q Y_ci  
V ifQ@  
l>Nz]Ul%{  
#b~wIOR)Z  
自由参数： A1zqm_X5)P  
 反射镜1后y方向的光束半径 j:yQP#U  
 反射镜2后的光束半径 [I`r[u  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） W.xlS
ZEB  
 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。 z)Y<@2V*C  
Pgy&/-u  
\~(ww3e  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 sGf\!w  
v}=3  
[w%MECTe  
结果：使用GFT+进行光束整形 GP%8
3T  
e$k]z HlQ  
$II[b-X?S  
kKFSCl/g  
hSgfp  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 9I a4PPEH1  
3~e"CKD>  
<p48?+K9  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 iY=M67V  
x*H4o{o0  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 %!r>]M <  
nt,tM/  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： TzXivE@mm  
KzQ\A!qG  

\dyJ=tg  
rz]0i@ehv'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 5Rv6+d  
IT,TSs/Y  
结果：评估光束参数 }+[H~8)5  
Ni$WI{e9  
Bi"7FF(z  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Ni5~Buf  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 `.z;.&x  
yZ[H&>  
Y[A
L!h  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 ."R,j|o6  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） ,}!OJyT  
mPNT*pAO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd sXzxEhp  
SxMrX C*  
光束质量优化 u>Z0u
g6x  
m*L*# ZBS  
XqVhC):  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 ^|@t2Rp@  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 =J0X{Ovn4z  
V#?GDe}[  
结果：光束质量优化 \UI7H1XDH  
^l#Z*0@><~  
QN_Zd@K*A  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 @O}%sjC1  
y4aSf2   
_ x&Y'X|  
\ajy%$;$}  
 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。） /TTmMx*  
U2=l;
R{  
]/!#
:  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ?5e:w?&g@  
SxLu<  
反射镜方向的蒙特卡洛公差  k%V#{t.  
75~>[JM  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 )s6pOxWx  
\2#>@6Sqrl  
*TY?*H  
 这意味着参数变化是的正态 $LLkYOwI  
cq`v8  
!Q!==*1H  
gF;i3OJg  
YaJ[39V  
 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。 <rc?EV  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 5" <7
 
3z9}cOFq]z  
v*'dA^Q  
^ZX71-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 59:Xu%Hp  
H8+7rM  
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） VfOm#Ue0q  
8^C
dE*a  
MXsSF|-  
Sw<@u+Z;%  
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。 6@?4z Rkz  
; F% 3b47  
总结 RnV )*  
(K"U#Zn  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 uh'{+E;=  
1.模拟 _NQMi4 V(  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 '+LbFGrO3  
2.研究 \<WRk4D  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 LIYj__4=|  
3.优化 25%[nkO4  
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。 .6Tan2[%  
4.分析 $8gj}0}eH  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 %"|I` m  
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。