[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） .S_7R/2(?  
5wE+p<-KX  
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 O|} p=ny  
< NRnE8:  
k#g` n3L  
xCQLfXK7  
简述案例 =,Zkg(M  
1u~CNHm  
系统详情
mfW}^mu  
 光源 cb3Q{.-.#  
- 强象散VIS激光二极管 uGc0Lv4i/  
 元件 ez-jVi-Fi  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） j&N {j_M
 
- 具有高斯振幅调制的光阑 d:vuRK4+  
 探测器 tH)fu%:p  
- 光线可视化（3D显示） u*S-Pji,x  
- 波前差探测 {aVRvZH4  
- 场分布和相位计算 Bjp4:;Bb  
- 光束参数（M2值，发散角） "!B\c9q
 
 模拟/设计 YlhyZ&a,  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 0'ge}2^  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： v;sWI"Fv!  
 分析和优化整形光束质量 e~ZxDAd  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 *UZd!a)  
yno X=#`  
系统说明 'lMDlTU O  
Y6[O s1  
 8+,I(+  
模拟和设计结果 xG1(vn83gq  
#z5$_z?_  
数值探测器结果 RxA:>yOPn  
rU |%  
0F%/R^mw  
Y'+mC  
0JXXJ:dB  
总结 ^4~?]5Y\  
-y'tz,En.  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 DP.Y<V)B  
1.模拟 >H,5MM!  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 FmhT^  
2.评估 @x@wo9<Fc  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 emMk*l,  
3.优化 -7IRlP&  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ^Z+p_;J$p  
4.分析 <64#J9T^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 o&)v{q  
N5b^  
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。 8xt8kf*k  
GQ0(
lS  
详述案例 ;--p/h*.  
9hei8L:  
系统参数 P#9Pq,I  
tI<6TE'!p#  
案例的内容和目标 4*9BAv  
zmhAeblA  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 nH
}V:C  
~IFafAO&  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 [M2xF<r6t  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 G6bvV*TRi  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 #G\Ae
:O  
XZ"oOE0=  
模拟任务：反射光束整形设置 -XfGF<}r  
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。 pQoZDD@B$  
e\._M$l  
`-g$ 0lm7  
Ch)E:Dvq6  
2S//5@~_m  
gNC'kCx0c  
规格：像散激光光束  ;!j/t3#a  

{S`Rr/E|%  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 |fY#2\)Yx  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 bsc#Oq]  
U45-R-  
LhSXz>AX  
em2Tet  
gZ us}U  
c_u7O \  
规格：柱形抛物面反射镜 lNMJcl3  
                         \[ W`hhJ  
 有抛物面曲率的圆柱镜 S[CWrPaDQ  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 X=? \A{Y  
 曲率半径等于焦距的两倍 3}B-n!|*  
w+{{4<+cd  
p7L6~IN  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 9t
7 e~&R  
!Pu7%nV.  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 -|
P7e  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） !iAZEOkRR  
 离轴角决定了截切区域 Mo]iVj8~  
+&*>FeJY  
规格：参数概述（12° x 46°光束） b/4gs62{k  
0ke1KKy/d  
   g`,(O  


\}Kad\)  
光束整形装置的光路图 w$`u_P|@E:  
*7qa]i^]  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 u@aM8Na  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 &<) _7?  
jRp @-S#V  
反射光束整形系统的3D视图 #+^l3hMK  
NM1TFs2Y*  
USXPa[  
1(kd3
qX  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 3]>YBbXvE  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 yCv"(fNQ  
G~NhBA9  
详述案例 Pd(n|t3[8  
Si|8xq$E;  
模拟和结果 ! &
V,+}>)  
M<@9di7c  
结果：3D系统光线扫描分析 pe+m%;nzR  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 R~bLEo  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 (; Zl  
^1ks`1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd "H{#ib_c_  
DE?@8k  
使用参数耦合来设置系统 'v@1_HHW\  
n4zns,:)/  
*gI9CVfQl  
自由参数： FFH{#|_1  
 反射镜1后y方向的光束半径 ezd@>(hJ  
 反射镜2后的光束半径 lqKwjJtX  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） cr{dl\Na  
 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。 tI2p-d9B  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 @T-}\AU  
VE/~tT;  
CjA}-ee  
;"%luQA<w  
<zu)=W'R]  
H{;8i7%  
q5w)i  
自由参数： /zV0kW>N  
 反射镜1后y方向的光束半径 EtB56FU\  
 反射镜2后的光束半径 <JJi  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） &l~=c2  
 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。 {K2F(kz?T  
j0jam:.p  
3
K_!:[  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 <lLk(fC  
J15$P8J  
$E@ke:  
结果：使用GFT+进行光束整形 D%.<}vG  
R7By=Y!t  
Ia)
^  
Q_a%$a.rV  
!!t@H\  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 n1c Q#u  
]9pcDZB  
@i:_JOl  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 [h2V9>4:  
%K]nX#.B&  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 dzMI5fA<_  
zphStiwIQ  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： k)USLA  
8 _[f#s`)  
}~5xlg$B<<  
DSHpM/7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /7zy5  
  s/
'gl  
结果：评估光束参数 9/|i.2&  
&On0)G3Rc  
X]*W +  
 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。 `o*g2fW!  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Qs{Qg<}  
3/@'tLtN  
W.,J'  
 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。 XsHl%o8,z  
 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） ,K6]Q|U@r  
L=}U
ApK  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd i]LK,'  
"$8<\k$LGT  
光束质量优化 tg5jS]O  

Gb\7W  
M+^K,  
 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。 5tl}rmI`  
 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）。 FZmYv%J  
uf)W?`e~  
结果：光束质量优化 ?\F,}e  
k*c:%vC!  
1,`x1dcO!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。 qc'tK6=jp  
+msHQk5#$m  
L}a3!33)C  
Da-(D<[0  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） W\<#`0tUt  
D+o.9I/{  
e#HP+b$  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 8rp-Xi
W  
pmW=l/6+V3  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 D#t5*bwK  
EJtU(HmW  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 A#  M  
RLHe;-*b]I  
F5<{-{Ky  
 这意味着参数变化是的正态 4l`gAE$  
H@j^,  
t2Y~MyT/  
nG%j4r ;  
#Aanv  
 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。 ]VYl Eqe  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ToJru  
!Z'm@,+  
N~ozyIP,  
!3&v
gvr  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `A^} X  
YYvs~?bAy  
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） gwYd4  
M{4_BQ4$  
 zm.2L  
4 z`5W,  
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。 pq&c]8H  
BmJ?VJ}Y  
总结 tQ}gBE63  
`c
v:p|s  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~3YNHm6V  
1.模拟 H
5I#/j  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 I.<#t(io  
2.研究 ,RHHNTB("  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 )yK!qu  
3.优化 UK<"|2^sT  
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。 XN0Y#l  
4.分析 O&s6blD11  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 k1H0hDE  
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。