[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） HQVh+(  
3><u*0qe%I  
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 *$,+`+  
D!> d0k,Y  
TYS\95<  
:xeLt;  
简述案例 a<Uqyilm  
QX0Y>&$)  
系统详情 O
&?.&h  
 光源 z_SagU,\  
- 强象散VIS激光二极管 OD9 yxN>P  
 元件 Q|hm1q  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ;b~~s.+  
- 具有高斯振幅调制的光阑 crmUrF#  
 探测器 L@)&vn]  
- 光线可视化（3D显示） 0Qd%iP)6  
- 波前差探测 `| 9Ku  
- 场分布和相位计算 O]=C#E{  
- 光束参数（M2值，发散角） Ek
.3  
 模拟/设计 ,+L KJl  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 h8}8Lp(/'  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： (O5)wej   
 分析和优化整形光束质量 =I4.Gf"~f  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ?b$3ob"  
9U<Hf32  
系统说明 S ~|.&0"\  
YdOUv|tZC  
MV936  
模拟和设计结果 HhSjR%6HY;  
1bRL"{m^)-  
数值探测器结果 qi=3L  
<MZi<Z`  
$Ub}p[L  
!IAKVQ  
sbla`6Fb  
总结 31XU7
A  
Q=+8/b  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 {'~sS  
1.模拟 7:o+iP46  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 M\UWWb&%\  
2.评估 |9s wZ[  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 &5q{viI  
3.优化 3%IWGmye4  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 a$+#V=bA  
4.分析 gMZ&,n4  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ;nk@XFJ  
,L%p
  
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。 79tJV  
|R~;&x:  
详述案例 *Q/E~4AW|t  
lG]GlgSs  
系统参数 7Po/_%  
<nA3Sd"QfV  
案例的内容和目标 bOXh|u_3i  
?UK:sF|(O  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 %HE
mi;  
? ).(fP  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 lIl9ypikg  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Q-Y@)Mf~?0  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 ,4Y sZ  
Wf1-"Q  
模拟任务：反射光束整形设置 h544dNo&  
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。 >@Khm"/T  
bX{PSjD  
a}D&$yz2  
yHw!#gWM  
}rxFS <j  
SA3Y:(  
规格：像散激光光束 4`0;^K.  
f[M"EMy  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ST4(|K  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }q x(z^  
HjPH  
*<3iEeO/R  
nP)-Y#`~7  
@}{VM)Fc+  
_^3@PM>  
规格：柱形抛物面反射镜 {q2<KRU2+#  
                         Sl~C0eO  
 有抛物面曲率的圆柱镜 bl9E&B/  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 =z%s8D2  
 曲率半径等于焦距的两倍 mZ&]  
/K&wr6  
{8i}Ow  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Ua!Odju*w  
gU*I;s>  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 .=aMjrME  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 2X +7bM  
 离轴角决定了截切区域 *Ag,kW"
 
9&[\*{  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Z~B+*HF  
<m9JXO:5  
   4t(QvIydA  
)%1&/uN)  
光束整形装置的光路图 B)(w%\M4^  
q .)^B@}_  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 :'TX"E!  
 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。 +0)5H>h  
U
voG<;  
反射光束整形系统的3D视图 _2xuzmz0  
7{8)ykBU^  
5"]aZMua  
|HT)/UZ|  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 lK 9s0t'  
 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）。 /Ir 7 DZK  
E,Dlaq  
详述案例 ~MD><w>  
;2 \<M6  
模拟和结果 iNMLYYq]l  
I\)N\move  
结果：3D系统光线扫描分析 9 ?[4i'  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 i$2MjFC-  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 k0R,!F  
| H5Ync[s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd (u$!\fE-et  
*YMXiYJR  
使用参数耦合来设置系统 &7JEb]1C  
p` ^:Q*C"  
d;IJ0xB+by  
自由参数： %YsRm%q  
 反射镜1后y方向的光束半径 `\6+z  
 反射镜2后的光束半径 9Vh_XBgP  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） s$eK66H  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 4d,qXSKty  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 =/
)Mc@H
b  
zV9 =  
YeR7*[l  
IhtmD@H}  
_ +u sn.  
t>fA!K%{  
})Ix.!p  
自由参数： xUV_2n+  
 反射镜1后y方向的光束半径 &C!g(fS  
 反射镜2后的光束半径 KI^q 5D ?  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +A;n*DF2  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 .CB"@.7  
S8rW'}XJ=H  
zSX'  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 i|::vl  
HQjxJd5P  
+^o3}`  
结果：使用GFT+进行光束整形 [0( E>vm  
UeIqAG8  
il 8A&`%  
x|P<F2L  
C"V?yDy2~  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Phk`=:xh  
|~1rKzZwF  
OoA5!HEh  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 
Z)b)v  
T% jjs  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 @p?b"?QaB  
rVc zO+E  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： &z1|  
>*ha#PE  
BdRE*9.0  
Xv<;[vq}F  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ]y$V/Ij=qK  
Gff[c%I  
结果：评估光束参数 I=3B 5u  
bHlDm~5  
a`GN@ 8  
 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。 ?3KR(6D  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 3z{5c  
8/kx3  
8kn]_6:3i  
 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。 s|rZ>SLL  
 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） : Oz7R:  
[f0oB$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd f"OA Zji  
d%[`=fs]|m  
光束质量优化 (,)vak&t  
_sCJ3ZJ  
e P,XH{s  
 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。 $ M[}(m  
 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）。 R)DNFc:  
UVQa af  
结果：光束质量优化 bl!f5ROS(  
N4JqW  
aZ`_W|  
 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。 \p=W4W/  
]I.& .?^i0  
OKLggim{  
ky lr
f4=  
 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。） zi DlJ3]^  

M&BM,~  
yADN_  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ,VcDvZ7  
&j
~|3  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 (^s&#_w03  
O%Gsk'mo  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 R*TGn_J`  
H2pXJ/XF  
>7v.`m6?H  
 这意味着参数变化是的正态 >Qbc(}w  
tX`[6`  
XCi]()TZ_  
t5B|c<Hb\  
BC0c c[x  
 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。 E+m"yQp{  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 0)]C&;}_M  
MnrGD>M@|  
hhgz=7Y  
GO GXM4I  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run cTIwA:)D  
+` Y ?-  
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） 'rq#q)1MT  
H6 f; BS  
p31rhe   
$
CYpO}u#  
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。 LkZo/K~  
BnnUUaE  
总结 !7a^8   
E<G@LT  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Sph"w08  
1.模拟 u$@I/q,ou  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Z6/~2S@  
2.研究 dK(%u9v  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 `6/Y
f@b  
3.优化 ;F]|HD9  
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。 (>5VS  
4.分析 :AcNb  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 mW(_FS2%,  
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。