[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） t^~Qv  
nYE%@Up  
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 8p_6RvG  
Ui.S)\B  
(9Q@I8}Iy  
e%C_>  
简述案例 vwAtX($  
J?C:@Q  
系统详情 '^M.;Giz  
 光源 mM.YZUX  
- 强象散VIS激光二极管 MI)v@_1d  
 元件 n j2=}6  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ?!y<%&U  
- 具有高斯振幅调制的光阑 !cW!zP-B*p  
 探测器 ($-m}UF\/  
- 光线可视化（3D显示） Lg{M<Q)4  
- 波前差探测  fj'7\[nZ  
- 场分布和相位计算 xZA.<Yd^r  
- 光束参数（M2值，发散角） yxAy1P;dX  
 模拟/设计 :0Z\-7iK  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 sLUOs]cj  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ["[v  
 分析和优化整形光束质量 Whe-()pG{  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 .y<u+)  
SEVB.;  
系统说明 :IucH%6V  
SDB \6[D  
Da8 |eN}   
模拟和设计结果 5Dzf[V^]`  
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数值探测器结果 +lb&_eD  
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<i(Y1n[  
.N( X.C  
a~ dgf:e`  
L9-Jwy2(>  
总结 [S1 b\f#  
c0Pj})-  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 f;AI4:#I  
1.模拟 YmOj.Q&  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 fvk(eWB  
2.评估 k||dX(gl  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Wf^sl  
3.优化 "=1gA~T  
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。 Tdm|=xI  
4.分析 hz*T"HJ]t  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 KIp^| k7>  
Qj|rNeM_  
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。 *ow`}Q  
Q6D>(H#"0  
详述案例 R:$E'PSx  
 JJmW%%]i  
系统参数 d%.|MAE  
KJ:z\N8eo  
案例的内容和目标 TW!OE"B  
X</Sl>[8  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 7'
"qW"<  
/ g{8  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 } C:i0Q  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Il Qk W<  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 :;eQ*{ `\  
'%wSs,HD  
模拟任务：反射光束整形设置 @_?2iN?4Z  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ^2);*X>  
@6|<c  
T~k@Z  
g$^-WmX\m  
}X?#"JFX?  
y*ZA{  
规格：像散激光光束 Hy1$Kvub  
KE ?NQMU  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 d
f$.gP  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Zp^O1&\SK?  
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'(rD8 pc  
$y&W:  
3>^]r jFw  
jLM([t  
规格：柱形抛物面反射镜 %~x?C4L8  
                        
kl]MP}wc  
 有抛物面曲率的圆柱镜 A&)2m  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
tT>LOI_z  
 曲率半径等于焦距的两倍 9?MzIt  
eG1V:%3  
Er%&y  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） NLY=o@<  
X!K>.r_Dg  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ""jW'%wR  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） bsDA&~)s  
 离轴角决定了截切区域 1P(=0\P>&  
fs 2MYa
t  
规格：参数概述（12° x 46°光束） tp}/>gU!  
@,GL&$Y:W  
  
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RSh_~qMX  
光束整形装置的光路图 Qy0w'L/@  
`DF49YP"~  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ,wes
*  
 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。 G@#lf@M
]  
D\&S {  
反射光束整形系统的3D视图 n 5R9<A^  
#p@GhI!6  
%]&$VVVh  
Lo1ySLo$G  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 PXYLLX\3  
 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）。 tRJ5IX##L  
H" `'d  
详述案例 U
%s@np  
TT/H"Ri}Jp  
模拟和结果 Z! O4hA4  
M%`CzCL u  
结果：3D系统光线扫描分析 G|f9l?p  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 Rtz~:v%  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 dhob]8b  
wDh]vH[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %rG4X  
`!Z?F]):G  
使用参数耦合来设置系统 b(GV4%  
d-B+s%>D  
;6P>
S4`w  
自由参数： }6%XiP|  
 反射镜1后y方向的光束半径 f(w>(1&/B  
 反射镜2后的光束半径 qisvGHo  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）  RbTGAA  
 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。 v#qdq!64  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 0fXMY-$I  
|-}.Y(y  
H%@f ^  
|qn2b=  
7j\^
h2  
F]yB=  
"jum*<QZz  
自由参数： =0d|F 8  
 反射镜1后y方向的光束半径 U_"!\lI_yg  
 反射镜2后的光束半径 a
NEah  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） cZxY,UvYa  
 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。 C*b[J  
][S q^5`  
'-%1ILK$3r  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 r)5xS]  
]@Zv94Z(  
:E.a.-  
结果：使用GFT+进行光束整形 *yRsFC{,  
[ @eA o>  
g4h{dFb|_  
i7.8H*z'  
V+"%B
rM  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 JLE&nbKS  
tdH[e0x B  
9-c3@>v  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Wn=sF,c  
"V>}-G&  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 +<1 |apS1  
[_'A(.  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ~-zTY&c_  
skcyLIb  
}N[X<9^Z  
2
L](4Q[M  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 5j`xSG  
_U^[h!  
结果：评估光束参数 [nO3%7t@  
v@Uk% O/  
1<BKTMBq?{  
 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。 w[-)c6JyE  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 P?h1nxm`'  
[LnPV2@e  
src9EeiV  
 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。 !l $d^y345  
 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） $yASWz  
!{jw!bB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd L\2"1%8Wj  
'Bue*  
光束质量优化 =-si| 1Z  
-O *_+8f  
uB I/3aQ  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 7~XC_Yc1  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 2PlhnUQ7  
YcobK#c  
结果：光束质量优化 0DicrnH8  
3<^Up1CaZ  
> ubq{'  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 M~2Us{
`  
S&!(h {O  
k9x[( #  
0zH-g  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）  =1Sny7G  
*-9i<@|(U^  
X hq ss),  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd e(8hSVcl4  
UT\4Xk<  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 C1D:Xi-  
ni?k' \\  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 J>A9]%M  
=VD],R)  
^N/d`IAjv  
 这意味着参数变化是的正态 ,&UKsrs_  
bSsg`  
\t!~s^Oox  
9)oi_U.  
zQyI4RHG[  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 M3jUnp&  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Jo {:]:  
/i,n75/y?  
B.; qvuM~  
,MXU]{  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run |cU75 S1  
I<#X#_YP  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） s/7Z.\  
fd )v{OC  
+aOdaNcI  
q-`&C  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 d1cp=RbC  
fxd+0R;f  
总结 3mHzOs\jU  
9G/!18 X?f  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 N9!L8BBaK  
1.模拟 g!XC5*}  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 \U$:/#1Oe  
2.研究 X
kA] 9,@  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 kO\ O$J^S  
3.优化 4Fft[S(  
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。 Nm"P8/-09  
4.分析 ^VXhv9\>B  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 @-sWXz*W  
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。