[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） {{]=zt|69  
bmO__1  
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 RC8)f8n  
f1Yv hvWL  
YoF\MT]W  
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简述案例 YZBzv2'\x  
Xrj(,
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系统详情 {FJX  
 光源  bL'#  
- 强象散VIS激光二极管 Y-%l7GErhL  
 元件 g8+4$2`ny  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） wI@zPVY_i  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Pv7f _hw  
 探测器  UL)"  
- 光线可视化（3D显示） urT/+deR  
- 波前差探测 -; us12SZ  
- 场分布和相位计算 AU\xNF3  
- 光束参数（M2值，发散角） w%8ooQ|C  
 模拟/设计 Uin k  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 o0aO0Y  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： h{W$ fZc<  
 分析和优化整形光束质量 aT?p>  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 $_ix6z  
QDjW!BsX3  
系统说明 *#Lsjk~_-  
@Z9>3'2]A  
c YM CfP  
模拟和设计结果 5w,lw  
;z.6'EYMG  
数值探测器结果 'ZGT`'ri  
6z9R1&~%  
a%Z4_ToLZ  
{k_ PMl0G  
K-2o9No?j`  
总结 XlPK3^'N)h  
&TP:yA[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 %w'/n>]j  
1.模拟 MtpU~c  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 2?Pt Z  
2.评估 'A@q
g^e:`  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 A~6%,q@^jh  
3.优化 cy=I0  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 }b_R5U$@@  
4.分析 saGRP}7?  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 aW0u8Dz  
,]~u:Y}  
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。 o,S!RG&  
v%
H"_T  
详述案例 &Pu+(~'Q  
C6K|:IK{  
系统参数 g(-;_j!=  
ruZYehu1W  
案例的内容和目标 ki;!WhF~  
0hrCG3k.91  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 v2/yw,  
zyaW3th  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 0M$#95n  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 c@RT$Q9j  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ZhhI@_sz  
E:08%4O  
模拟任务：反射光束整形设置 Z{Vxr*9oO  
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。
EX[B/YH  
Pv< QjY  
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Wyy^gJl  
?r{
TOjn  
>%9^%p^  
规格：像散激光光束 H"#)&a7  
n11LxGwk  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \bU`  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 *-?Wcz  
f'1(y\_fb  
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rlR !&  
8{R&EijC  
S4L-/<s[*  
规格：柱形抛物面反射镜 ;c1relR2  
                         F(d:t!  
 有抛物面曲率的圆柱镜 JT4wb]kdV  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 8$\Za,)g  
 曲率半径等于焦距的两倍 t
(}/g  
A/!<kp{S  
y&1%1 #8F  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 7e1dEgn  
gh TcB  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 [-4KY4R  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ]53O}sH>  
 离轴角决定了截切区域 wAw42{M  
;xfO16fNk  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 9*4 .  
YnSbw3U.I  
   ar Q)%W  
uaiz*Im  
光束整形装置的光路图 NeHx2m+  
/dLA`=rZx  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 K]X`sH:  
 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。 fb23J|"  
@|BD|{k  
反射光束整形系统的3D视图 ,I ZqLA  
0x\2#i  
cA<<&C  
$`pd|K`  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 )u0O_R  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 69Nw/$  
O16r!6=-n  
详述案例 \^
9pW 2v  
(%bE~Q2P*<  
模拟和结果 8"x9#kyU<3  
I FsE!oDs4  
结果：3D系统光线扫描分析 b vRB  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 \b$<J.3  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 -^Xy%  
%%&e"&7HE  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 1SUzzlRx  
p;0 PxL=  
使用参数耦合来设置系统 +oZH?N4yaM  
}z wX  
ys%zlbj[  
自由参数： m2(E>raV6  
 反射镜1后y方向的光束半径 .#0H{m
k  
 反射镜2后的光束半径 _8^0!,j  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） qp>N^)>
 
 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。 Wwhgo.Wx  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Q4?EZ_O  
n?:2.S.8  
!MoOKW  
-IU4#s  
T#@{G,N  
I^G^J M!  
eLV.qLBUs  
自由参数： Ns<?b;aK  
 反射镜1后y方向的光束半径 6aY>lkp  
 反射镜2后的光束半径 j0x5@1`6G  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） & fu z2xv  
 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。 cKjRF6w  
PO o%^'(  
E]1##6Ae  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 |@RpWp>2  
tuLH}tkNY  
^I`a;  
结果：使用GFT+进行光束整形 1k[GuG%/K  
*~2cG;B"e  
3z3_7XI  
Y5Z!og  
^=+e?F`:
{  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 g1{/ 5{XI  
"|t!7hC  
GoIQ>n
 
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 _ie.|4k  
,h&a9:+i  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 xS8,W  
n@ [  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ar$*a>'?  
RlRs}yF  
9I.^LZ"  
| -+zofx  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd $UvPo0{  
!^WHZv4  
结果：评估光束参数 P!e=b-T  
W5SNI>|E  
89HsPB1"t  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 3^wC<ZXcD  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ER^QV(IvP8  
o
pp!0:jS*  
q3h'l,  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 x[i`S8D  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） BStk&b  
K_ke2{4Jm  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd |V|+lx'sc  
N3%*7{X 9  
光束质量优化 ] fwZAU  
cb$-6ZE/  
_<*Hv*Zm  
 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。 P@0Y./Ds  
 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）。 LFf`K)q  
M%`\P\A  
结果：光束质量优化 )D/ 6%]O  
nidr\oFUIn  
{mTytT  
 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。 X`JVR"=4  
)Gk`[*q ;  
+L%IG  
wtH~-xSB|  
 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。） lAi2,bz"  
rHz||jjU  
_}gtcyx  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd )uheV,ZnY  
d@ Ja}`  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 N#ioJ^}n:  
c#cx>wq9  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 QHlU|dR)Ry  
s'\$t  
/+|#^:@  
 这意味着参数变化是的正态 1G^#q,%X_v  
M(Zc^P}N  
\Qy$I-Du  
w_wslN,)  
'LSz f/w  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 Jxl6a:  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 q(IQa@$SR  
rcN 9.1  
z(13~38+  
& E}mX]t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run v]VWDT `  
+-$Ko fnM  
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） "Cz<d w]D  
~O6\6$3b5E  
1;F`c`0
<  
,,4 GNbBC  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 Zjh2{ :  
v|';!p|  
总结  jN*:QI  
%;"@Ah  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 PoSpkJH  
1.模拟 OFU/gaO~  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 [<c&|tfl  
2.研究 +0l`5."d  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 !wz/cM;  
3.优化 vX|UgK?2^  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 /~p+j{0L3W  
4.分析 Wr?'$:  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 c3TKl/  
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。