[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） EaG3:<>J  
Q d]5e  
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 !q! =VC  
ig]*Z  
PBb@J'b  
T@uY6))>F  
简述案例 9. Q;J#;1  
-4o6OkK<  
系统详情 k
`6T% [D]  
 光源 ^$DpdzI  
- 强象散VIS激光二极管 l)fF)\|;=  
 元件 -@-cG\{  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） DHJh.Y@H  
- 具有高斯振幅调制的光阑 /NaIMo5  
 探测器 {n=)<w  
- 光线可视化（3D显示） a0Cf.[L  
- 波前差探测 SJ;u,XyWn  
- 场分布和相位计算 a-,!K  
- 光束参数（M2值，发散角） !9DqW&8  
 模拟/设计 -kxNJ G
c?  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 @kn0f`  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： f*7/O |Gp  
 分析和优化整形光束质量 ScYw3i  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 bWo-( qxq  
kN>%y&cK  
系统说明 yv^j~  
:f?\ mVS+  
Id(o6j^J_  
模拟和设计结果 7^#f<m;Ar!  
7OYNH0EH  
数值探测器结果 Xy:'f".M~\  
^[Cpu_
]D  
9%j_"+<c  
$&Ng*oX
 
kXA o+l  
总结 |\%[e@u  
*+re2O)Eh'  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 : I28Zi*  
1.模拟 r4k=i
4  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Nt9M$?\P  
2.评估 ByoSwQ  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 \:]Clvc  
3.优化 ifl`QZp_  
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。 ;aj
CnSmR  
4.分析 j<>E Fd  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 +',[q  

4=td}%  
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。 &duWV6Acw  
kB{  
详述案例 b[<r+e8  
E1usxF)  
系统参数 I3]-$  
Nl,M9  
案例的内容和目标
i-w^pv'  
Q{T6t;eH  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 %bgjJ`  
hJ\IE?+  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 |9T3" _MmJ  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {m~.'DU  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 O*xC}$OOn  
>=BH$4Ce  
模拟任务：反射光束整形设置 =/Pmi_  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 mI
gc)"  
l{ja2brX  
a~E@scD  
/~[+'  
Dn~r~aR$g  
8+Sa$R  
规格：像散激光光束 9o5W\.A7[D  
.'N:]G@!  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 dCv@l7hE  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 "} =RPc%
9  
l?Vm/YXb  
n+1!/H=d  
IX@g].)C  
z-};.!L^  
FN jT?*  
规格：柱形抛物面反射镜 u"eO&Vc  
                         P7ktr?V0a  
 有抛物面曲率的圆柱镜 W <.h@Rz+  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 -}avH  
 曲率半径等于焦距的两倍 f}{ lRk  
W*?mc2;/  
y.,S}7l:
 
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） +/ s2;G  
M]9oSi  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 s}"5uDfn1F  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） Pf,S`Uw;  
 离轴角决定了截切区域 5'iJN$7  
wkNf[>jX?  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ,K4*0!TXP  
YbCqZqk  
   DXX(qk)6  
h M{&
if
 
光束整形装置的光路图 QY14N{]T\p  
P(iZGOKUs=  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 o=/Cje  
 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。 X( Q*(_  
jvfVB'Tmr  
反射光束整形系统的3D视图 &qR1fbw"  
b _Q:v
&  
gFO|)I N  
nT7{`aaQl  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ?t;>]Wo;  
 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）。 }m '= _u  
g~q+a-  
详述案例
/JP]5M)   
e<_yr>9g"  
模拟和结果 \Xy]z  
1|K>V;C  
结果：3D系统光线扫描分析 ZHPsGHA  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 &!)F0PN:u  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 #Bo/1G=  
G`!ff  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Znl&.,c)  
&uLxAw  
使用参数耦合来设置系统 ,.# SEv5  
XBJ9"G5  
B_f0-nKP  
自由参数： qg7] YT&  
 反射镜1后y方向的光束半径
i&cH  
 反射镜2后的光束半径 >z=_V|^$  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） `i{k^Q  
 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。 d<*4)MRN  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ,H{ /@|RW  
eiLtZQ  
Bjg 21bw^  
zs+[Aco)  
]mU,y$IQ  
DNgQ.lV  
3YY<2<
  
自由参数： !U02>X   
 反射镜1后y方向的光束半径 )B d`N^k+  
 反射镜2后的光束半径 ,v"/3Ff{,  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ^V^In-[!y:  
 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。 3t(8uG<rL  
X,- ' v[z  
dEXHd@"H  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 cz_4cMgxu  
qZ!1>`B  
r#{r]q_E*  
结果：使用GFT+进行光束整形 T[$Sbz`  
oz}p]l7  
1SBc:!2  
'e6W$?z  
5H6GZ:hp  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 -X#J<u T/  
,2>:h"^  
@4:cn  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 R|Ft@]  
oeXNb4; 4  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 &%pB; dk  
@S~'m;  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： =J8)Z'Jr  
A>L(#lz#ek  
:,F^{  
h3;Ij'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd <$.KCLP  
|Sg *j-.  
结果：评估光束参数 f}4c#x  
)!dELS\ix  
8G
b=aF1  
 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。 0:G@a&Lr  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。
-<#n7b  
^a`zvrE v  
| -Di/.  
 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。 }wR)
p  
 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） v\Y;)/!  
!W:QLOe6F  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd y_"GMw  
6,G^iv6H  
光束质量优化 7>{edNy!,  
Kw'Dzz%kN  
T GMHo{]  
 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。 ./<3jf :  
 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）。 ^J>28Q\S  
nVG\*#*]|  
结果：光束质量优化 |~H'V4)zXu  
mUy/lo'4  
jTws0=F*  
 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。 6@2p@eYo  
^ +{ ~ ^y7  
UO"8 I2rB  
|iM*}Ix-  
 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。） -lL*
WA`  
+:&(Ag  

RqHxKj  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ](_(1  
j<deTK;.  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 aic6,>\!'  
B_cn[?M  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ^e>v{AE%  
=< CH(4!  
-I=}SZ  
 这意味着参数变化是的正态 `?JrC3  
3UC8iq*  
>^J!Z~;L)  
x6DH0*[.  
6%S>~L66  
 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。 ^DZiz[X+|  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 c<&+[{|  
=As'vt 0  
flLmZ1"  
zm8m J2s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run z5'VsK:  
xC;$/u%'  
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） TaolX*$5  
0[3b,  
BC
$In!  
E#ys-t 42  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 M2xUs  
CKBi-q FH  
总结 RTl7vzG  
_)Qt,$  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 t*}<v@,  
1.模拟 [2\`Wh:%P  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 U'lmQrF!  
2.研究 :m$%D]WY  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 W' 2)$e  
3.优化 O_iX1@SW  
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。 -x_iqrB  
4.分析 4x C0Aw  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 $!vi:+ED  
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。