[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） }cll? 2  
A}b<Lg  
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 JeJ
c(e  
uE>2*u\  
RkN a;j)t  
1@H3!V4  
简述案例 |/g\N,]  
TZq']Z)#  
系统详情 _wg6}3  
 光源 EY(@R2~#J  
- 强象散VIS激光二极管 i%M2(8&^Q  
 元件 X.,1SYG[  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） \)ac,i@fy  
- 具有高斯振幅调制的光阑 \HDRr*KO  
 探测器 E#_TX3B  
- 光线可视化（3D显示） UKx91a}g  
- 波前差探测 tWi@_Rlx;  
- 场分布和相位计算 v!ULErs  
- 光束参数（M2值，发散角） !9i,V{$c`"  
 模拟/设计 iuq-M?1  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ?0+D1w  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 2Ni$ (`"  
 分析和优化整形光束质量 :JSOj@s  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 p~28?lYv  
vcAs!ls+  
系统说明 R\+p`n$  
e.i5j^5u  
pHY~_^B4&  
模拟和设计结果 7vV3"uns  
.8CR \-
  
数值探测器结果 `jJ5us  
_ 9Tv*@  
&@A(8(%  
}7vX4{Yn  
#P-S.b  
总结 &M~*w~w`  
vI#\Qe  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Y,B0=}  
1.模拟 7[:9vY  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ~d7!)c`z  
2.评估 !tF
s(![  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 H(!)]dO  
3.优化 )=;0  
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。 5FnWlFc  
4.分析 vj^vzFbK  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 $ W(m  
nvxftbfE^D  
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。 wCvtw[6  
+BM(0M+  
详述案例 $)mE"4FE  
mTW0_!.  
系统参数 BM1uZJ0  
5Y"lr Y38  
案例的内容和目标 g%#" 5Kr  
J-ACV(z=q  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Txfu%'2)e  
WtFv"$V  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 E:(flW=  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 $k V^[  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 b|wCR%  
W{At3Bfy  
模拟任务：反射光束整形设置 ?z171X0  
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。 <u*~RYA2  

V(A6>0s$|  
D&/(Avx.  
d /jO~+jP  
*n N;!*J  
UC;_}>  
规格：像散激光光束 UBrYN'QRNt  
pRD8/7@(B{  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 }?^5\otu  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 C6ZM#}I$l  
+y>D3I  
0~H(GG$VH  
AM1J ^Dp  
OA_:_%a(  
_0 USe  
规格：柱形抛物面反射镜 ~C{d2i  
                         H ZIJKk(  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Fa,a)JY>  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 jmmm0,#D  
 曲率半径等于焦距的两倍 5u MP31  
G@oY2sM"  
p-GlGEt_X  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） M])Y|}wv8  
ec[
S?-  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 r+217fS>  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） su
N{)"  
 离轴角决定了截切区域 GN /]^{D  
ji="vs=y  
规格：参数概述（12° x 46°光束） n|Iy  
EkgS*q_  
   DKAqQ?fS  
v9(->X'  
光束整形装置的光路图 mEmz
nA  
P}KN*Hn.  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 '^'vafs-/@  
 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。 )C5<puh  
$*V:;
-H  
反射光束整形系统的3D视图 a?.hvI   
2i;G3"\  
lOt3^`  
3*"
$E_%  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 4P(Y34j  
 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）。 w?d~c*4+  
<f&
z~y=  
详述案例 QU_O9 BN  
s"#JBw\7  
模拟和结果 )Ge.1B$8h  
Mp^%.m  
结果：3D系统光线扫描分析 NOLw119K  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 &[f.;1+C  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ME7jF9d  
(ec?_N0=  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd iY1%"x  
Q3vC^}Dmr  
使用参数耦合来设置系统 <[ />M  
ATp7:Q  
[x ?38  
自由参数： 0W<:3+|n4  
 反射镜1后y方向的光束半径 3`S|I_$(T"  
 反射镜2后的光束半径 K9B_o,  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） @r]wZ~@  
 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。 I *YO  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 _]a8lr+_-  
HpSmB[WF  
U~n>k<`sr  
~F[}*%iR  

tfW/Mf  
OvqCuX  
-B-?z?+(O  
自由参数： 17AJT  
 反射镜1后y方向的光束半径 ifTMoC%  
 反射镜2后的光束半径 bmgK6OyVR  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +e?mKLw14  
 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。 e6f:@ O?  
j&6'sg;n)  
k~Qb"6n2  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 L1A0->t  
F(c~D0  
gpW3zDJ  
结果：使用GFT+进行光束整形 EN/>f=%  
):OGhW
q  
6X2>zUHR  
}6ObQa43  
rqbX9M^  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 vH/z|<  
X_GR{z%  
l*_%K}%?V  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 5$Lo]H*  
Tap=K|b ]  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 5[l9`Cn&A  
/+2;".  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： u=NpL^6s<  
RzCC>-  
fq(r,h=|  
H }w"4s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Ylbh_ d~BU  
V\Oe]w  
结果：评估光束参数 gM_z`H5[!  
Ah:!  
7|4hs:4mD  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 KNT(lA0s  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 GyI(1OAW  
^DVj_&~  
"{>I5<:t  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 N!Dc\d=8q]  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） bl@0+NiM  
G{$(t\>8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd EWuuNf  
Y@x }b{3  
光束质量优化 <cu? g  
:N03$Tvl  
"#bL/b'{  
 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。 Pw:(X0@  
 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）。 hz#S b~g  
@y:mj \J9  
结果：光束质量优化 3`sM/BoA  
vlYDhjZk#  
f1GV6/| m  
 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。 xbJ@z{  
SN2X{Q|*  
:M" NB+T  
Y"qKe,
  
 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。） N<c98  
)o!y7MTl  
ly`p)6#R=  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd tY$ .(2Ua  
p&1IK8i"  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 'Okitq+O  
n{vp&  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 v%RcwVt|  
W\09hZ
6  
I)$`@.  
 这意味着参数变化是的正态 *o]Q<
S>lH  
}`k >6B  
gQy{OU  
4k'2FkDA  
}'HJVB_  
 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。 .#n1p:}[  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ?^iX%   
gs;3NW  
RFF&-M]  
n]&/?6}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run cJ9:XWW  
HfN-WYiR  
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） KQsS)ju  
bni :B?#  
(QQ/I;  
C~o6]'+F_  
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。 g Z3VT{  
vn;_|NeSf  
总结 )W^Wqa8mG|  
3UeG>5R  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "B`yk/GM]  
1.模拟 :nki6Rkowt  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 U85t !U  
2.研究 d
R2#n  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ~7PPB|XY  
3.优化 FG8genCH@  
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。 0E
q.l<  
4.分析 5A]IiX4Z  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 #W<D~C[I _  
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。