[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Fad.!%[  
S{0iPdUC  
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 xsO "H8  
&c|3v!  
<27:O,I  
&tJ!cTA.-  
简述案例 pkKcTY1Fx  
<TDp8t9bU  
系统详情 e2dg{n$6"  
 光源 zUI
h^hbFf  
- 强象散VIS激光二极管 q
;)+O#CR  
 元件 TdCC,/c3  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） _=\J:r|Y:  
- 具有高斯振幅调制的光阑 t/kMV6
 
 探测器 HkL:3 E.  
- 光线可视化（3D显示） \{@n>Mh  
- 波前差探测 BKV,V/*p  
- 场分布和相位计算 4pJ #fk
c^  
- 光束参数（M2值，发散角） -_KO}_  
 模拟/设计 [wO|P{8\"  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 @~+
W  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 0DsW1  
 分析和优化整形光束质量 JG:li} N  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ;k=&ZV  
hHsN(v  
系统说明 C]bre^q  
"G[yV>pxv  
B*3<(eI  
模拟和设计结果 Wp |qv  
LK}*k/eG  
数值探测器结果 }|j\QjH  
%S$+3q%F  
GL^84[f-T  
sA|!b.q  
*De}3-e1b  
总结 `:Bm@eN  
G(fS__z  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 wxc24y  
1.模拟 NRI@M5  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 JGRL&MG4  
2.评估 5@-[[ $dk  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 7KlS9x2  
3.优化 &*YFK/]  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Zn{Y+ce7d  
4.分析 .ED8b5t|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 _wp_y-"  
@km@\w  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 +}eH,  
>At* jg48  
详述案例 &~K4I  
MfU0*nVF~  
系统参数 %Ek!3t  
=MjkD)l  
案例的内容和目标 Rh,a4n?W  
f6])
M)  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 oWb\T 2!m  
p&$O}AX|  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 pdySip<  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 :lBw0{fP  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 oiTSpd-  
UGDB4S  
模拟任务：反射光束整形设置 [e f&|Pi-  
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。 k4-S:kVo  
{ u %xc"0y  
gA:unsI  
Kn*LwWne  
C7=N
`s}  
=1+/`w  
规格：像散激光光束 )qua0'y]@  
q
x1+'  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 -~Chf4?<4  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 VD~ %6AjyN  
^u:bgwP  
:SD#>eD0  
FI"KJk'  
*_sSM+S  
z)ndj 1,#)  
规格：柱形抛物面反射镜 tNG[|Bi#  
                         jRN>^Ur;g  
 有抛物面曲率的圆柱镜 KsSIX
  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 bk|?>yd  
 曲率半径等于焦距的两倍 L]*5cH  
QmC#1%@a  
$U4[a:  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） lFN|)(X  
&Lbh?C  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 s=>^ 8[0O  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） `O]$FpO  
 离轴角决定了截切区域 RqKkB8g  
yioX^`Fc(~  
规格：参数概述（12° x 46°光束） #Q"04'g  
4YgO1}%G  
   5VSc5*[  
(tCBbPW6T?  
光束整形装置的光路图 Z.b?Jz
j  
_H"_&m$aDm  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 TDX~?>P  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 Zg9VkL6Z6  
+`7!4gxwK!  
反射光束整形系统的3D视图 ct
@3]  
quS]26wQz  
vDIsawbHD  
&ZL4/e  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 *z^Au7,&  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 jN!VrRA  
L;=3n[^x  
详述案例 ?-'GbOr!  
nG%<n  
模拟和结果 SB`xr!~A]  
p_i',5H(  
结果：3D系统光线扫描分析 gnadx52FP  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ?u5jXJ0L  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 )"J1ET,z  
?DE{4Ti/[  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ]:}7-;$V  
sJMpF8   
使用参数耦合来设置系统 IEe;ygL#  
1'H!S%fS  
uR.`8s|  
自由参数： y+ 4#Iy  
 反射镜1后y方向的光束半径 6,!$S2(zT  
 反射镜2后的光束半径 Js(M
zL  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 4KR$sKq$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。 Z= =c3~  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 "5v^6R9e  
r::0\{{r"p  
b#*"eZj
 
,ZVhL* "  
OVE?;x>n/1  
= toU?:.  
xyHv7u%*  
自由参数： ,hZ?]P&  
 反射镜1后y方向的光束半径 B%5"B} nG  
 反射镜2后的光束半径 o*3\xg  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） yH9&HFDp  
 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。 j8%Y[:~D  
5lyHg{iqD  
wRZS+^hx  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 >vXS6`;  
Wiyiq )^  
q.j
$]?PQ  
结果：使用GFT+进行光束整形 L\R(//V  
j=c< Lo`  
>*\yEH9"  
mC3:P5/c  
D~M*]&  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 FD[4?\W]#  
h gu\~}kD  
^])s\a$  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 t#%J=zF{  
9v1Snr  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 wh!8\9{g  
d$8K,-M  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： w_DaldK*  
9Q1w$t~Y  
?O"zp65d(  
$j\jT  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd B5+$VQ  
5=Y(.}6  
结果：评估光束参数 aimf,(+  
"'XYW\bI  
~qXwQ@  
 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。 PR*EyM[T  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 m-#]v}0A  
phB d+zQc  
u68ic1  
 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。  t^}"8  
 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） *_]fe&s=%  
O-box?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ,@I\'os  
vu&ny&=`  
光束质量优化 J% ZM V  
>U?#'e{qW  
+{}p(9w@  
 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。 Sy<io@df  
 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）。 c._!dq&#R  
}:[MSUm5  
结果：光束质量优化 "!uS!BI?
 
>FJK$>[1:p  
LR'~:46#u  
 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。 $"k1^&&E  
=LEzcq>XO  
(`u+(M!^  
2sVDv@2  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） >GzH_]  
8#9OSupp  
t;:Yf  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd lE!.$L*k  
BqdGU-Q  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Z-M4J;J@}  
j 20mZ  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 *Wcq'S  
bjN"H`Q  
k^K%."INn  
 这意味着参数变化是的正态 ,u!_mV  
:c`djM^ll  
A0Q1"b=  
Ih;D-^RQ  
%o`Cp64`Q  
 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。 Mko,((>I1  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 RB;2  
T+FlN-iy)  
ha9 dz  
@V@<j)3P  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run ie7TO{W  
ej&o,gX  
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） H>"P]Y)oX  
W9bpKmc  
3wfJ!z-E8  
o[S Mt  
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。 n@S|^cH  
&yqk96z  
总结 qQS&K%F  
=,&{ &m)  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 6+C]rEY/o  
1.模拟 5RYrAzQo  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 B0gs<E  
2.研究 5j _[z|W2  
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"A>mEex<  
3.优化 .e}`n)z  
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。 HDz"i  
4.分析 WckWX]};S  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 B<~BX[  
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。