[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） vDK:v$g  
Xb(CH#*{z  
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 V_+}^  
b!4N)t>gl  
t-*VsPy  
pIID=8RJ.  
简述案例 )Y&MIJ7>@  
[ 5CS}FB  
系统详情 p|FlWR'mA  
 光源 95.qAFB1  
- 强象散VIS激光二极管 7gVh
!rm  
 元件 iXUWIgr  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） g:3d<CS  
- 具有高斯振幅调制的光阑 P[Y{LKAbb  
 探测器 iwG>]:K3  
- 光线可视化（3D显示） VZT6;1TD$8  
- 波前差探测 m%e^&N#%6r  
- 场分布和相位计算 3o+KP[A  
- 光束参数（M2值，发散角） qy7hkq.uX  
 模拟/设计 9]]!8_0=r  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 hw&ke$Fg#  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： b{~fVil$y  
 分析和优化整形光束质量 @
!z$Sp=  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析
k%EWkM)?  
ntrY =Y  
系统说明 yPf?"W  
pchQ#GU  
2x7(}+eD  
模拟和设计结果 \]Y\P~n  
+Od1)_'\D3  
数值探测器结果 (w5u*hx  
9nT?|
n]>  
/~H[= Pf  
gIV3n#-{L  
~v.jZ/h  
总结 e+NWmu{<_  
^-gfib|VGe  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
/HB+ami,  
1.模拟 tP}Xhn`  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 *0=fT}&!  
2.评估 pY^
pTWs(  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 kVV\*"9y  
3.优化 Hfh@<'NL]  
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。 2-B6IPeI  
4.分析 3x04JE3!  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 o `b`*Z  
=jJ H^Y2  
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。 NY4!TOp  
(3e;"'
k  
详述案例 %)zk..K{l  
JaH* rDs-  
系统参数 8# 6\+R  
\\Y,?x_0T  
案例的内容和目标 zt7_r`#z  
Bj;\mUsk  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Vh 2Bz  
/yLzDCKn  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 /uK)rG F  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Gh2#-~|cB  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ;l$9gD>R  
*6NO-T; -  
模拟任务：反射光束整形设置 VT'0DQ!NIq  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 4O$mR  
Z+Kv+GmqH  

$8jaapNm@  
a`DWpc~  
P;j&kuW|zL  
H":/Ckok  
规格：像散激光光束 >g>?Y G  
BqQ] x'AF  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ^&C&~}Zv  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 yPSVwe|g  
6hp{,8|D"m  
| @uq()  
"]v uD  
 ~q*i;*  
64?Pfir6  
规格：柱形抛物面反射镜 l+t #"3  
                         q5%2WM]6  
 有抛物面曲率的圆柱镜 iOl%-Y  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 U9x4j_.q  
 曲率半径等于焦距的两倍 v}Z9+ yRC2  
o1e4.-xI  
*nLIXnm  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） =D{B}=D\IM  
]y.Rg{iv  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 nHnk#SAAu  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） YbzM6u2  
 离轴角决定了截切区域 ]Qd{ '}+  
%Nl`~Kz9U  
规格：参数概述（12° x 46°光束） RV}GK L>gn  
:]yg  
   <]~ZPk[  
;8BA~,4l  
光束整形装置的光路图  -H`\? R  
`n6/ A)  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 s\_l=v3  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 !z?0 :Jg  
uWh|C9Y!A  
反射光束整形系统的3D视图 Vz'HM$  
F,Q?s9s  
h!v/s=8c  
*_PPrx5  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 3&$Nd  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 wEE2a56L-  
#XcU{5Qm5  
详述案例 un6cD$cHr  
W+.{4K  
模拟和结果 O"\nR:\  
aV<^IxE;  
结果：3D系统光线扫描分析 BMdSf(l  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 fSjs?zd`  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 {8 N=WZ  
<FQFv IKg  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd +ZclGchw  
7u::5W-q  
使用参数耦合来设置系统 n08; <  
zFywC-my@  
7D   
自由参数： ocwE_dR{  
 反射镜1后y方向的光束半径 %&tb9_T)d  
 反射镜2后的光束半径 |0kXCq  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） %J _ymJ'pd  
 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。 g,=^'D  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 3"Yif  
(')(d HHW  
 &+G;R  
+bUW!$G  
~,gLplpG0  
rGQ5l1
</  
Yy hny[fa9  
自由参数： q? 9GrwL8F  
 反射镜1后y方向的光束半径 1A^1@^{m'  
 反射镜2后的光束半径 [zQWyDu  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +xZQJeKb  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 {]`p&@  
nv)))I\  
q$T8bh,2  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 H2U:@.o2&  
s/t
11;  
qp&4 1  
结果：使用GFT+进行光束整形 bAiJn<  
?mU\ N0o  
h>klTPM>  
5kn+ >{jh`  
6G}c1nWU  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 OJpj}R  
!y. $J<  
.YR8v1Cp  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 'MN1A;IJ  
63M=,0-Qt  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 a$$ Wt<&Y
 
$;`I,k$0>~  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： g<a<*)&  
7$7n71o  
?Ht=[l=  
\|t{e8}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 7W|Zq6pi  
PsbG|~  
结果：评估光束参数 kZxW"2  
uR_F,Mp?%u  
[l*;E f,  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 opD-vDa h  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 5)M2r!\  
>1ZJ{se  
* t!r@k  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 r~>,$[|n})  
 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） wkBL=a  
sV2iITFp  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd y@;%Uv&  
<2<87PU  
光束质量优化 [@G`Afaf  
9$RIH\*  
7
8]gtJ  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 Im)EDTm$  
 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）。 _kN*e:t  
S_\ F
 
结果：光束质量优化 -5k2j^r;  
hO( RZ'{  
F8=nhn  
 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。 :E'P7A  
y LM"+.?pL  
!9 f4R/ ?  
%|+E48  
 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。） yZ3nRiuRT  
8omC%a}9m  

Oy_c  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd H l<$a"K7\  
Ik~1:D]f  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 M_|> kp  
Ns=AjhLc z  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ,}
J_:\j  
?WFh',`:  
/3B6Mtb  
 这意味着参数变化是的正态 qZ X/@Yxz  
926Tl  
9wh2f7k  
^Z}Ob= .G  
,Z~;U  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 _Qd,VE 8u  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Uyx&E?SlEq  
ao$.6X8fQ  
-F1- e+=  
*#&*`iJ(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run p#@Z$gTH`'  
KnzsHli,~k  
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） UVEz;<5@\  
g^~Kze  
ll<NIdf\r  
||eAE)  
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。 7r 0,> 3"  
jH*)%n5,\  
总结 k6**u  
d,cN(  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 WsOi,
oG@  
1.模拟 9|
WV~  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 la^ DjHA
$  
2.研究 :c]`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。 ,
)fkr]`<  
3.优化 Ee2c5C!|C  
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。 K@:m/Z}|4  
4.分析 z@VP:au  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 .$rC0<G[K  
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。