[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） (Nb1R"J`  
pw yl,A  
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 |qDfFGYf  
SVh4)}.x  
guXpH
F=  

{Y%=/ba W  
简述案例 Bqlc+d:  
2{I
z  
系统详情 >%dAqYi $  
 光源 B1#>$"_0}=  
- 强象散VIS激光二极管 IFofFXv_  
 元件 <9tG_  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） / i2-h  
- 具有高斯振幅调制的光阑 xH#a|iT?(  
 探测器 @zF:{=+]+  
- 光线可视化（3D显示） RmV/wY  
- 波前差探测 B^~Bv!tHWr  
- 场分布和相位计算 vcU\xk")  
- 光束参数（M2值，发散角） @~G`~8   
 模拟/设计 pY>-N  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 91d`LsP  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： !>Y\&zA  
 分析和优化整形光束质量 Z*)Y:tk)b  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 "sX?wTag  
jI<WzvhYG  
系统说明 '/gwC7*-&  
6Ok=q:;  
T KL(97)<  
模拟和设计结果 {59VS Nl  
:42;c:85  
数值探测器结果 `4$Qv'X*  
A<CXdt+t  
<O)X89dFM  
Fd,+(i D  
MGyB8(  
总结 &~A*(+S  
YGV#.  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7oLf5V1~  
1.模拟 $RNUr \9A  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 k+r9h'd  
2.评估 [d~bZS|(T(  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 9Y@?xn.\  
3.优化 L0|hc  
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。 UQ?OD~7  
4.分析 N?{1'=Om  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 -hFyqIJW  
Cm<j*Cnl  
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。 .C;_4jE  
Sc$8tLDLj  
详述案例 o"}&qA;  
pH l2!{z  
系统参数 KPd C9H  
pvQK6r  
案例的内容和目标 
l(w vQO  
.A!0.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。 $gl<{{  
O:=|b]t  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 +\8krA  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 BS,5W]ervE  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 9}jq`xSL  
<RPoQ'.^  
模拟任务：反射光束整形设置 27 145  
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。 zPh\3B  
{+6D-rDw  
mV*/zWh_  
:
{WrS  
W aGcoj  
@-&(TRbZo  
规格：像散激光光束 jy(+ 0F  
,Lun-aMd  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束
Z-h7   
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 =e!l=d|/  
H9san5{  
uQu/(5  
oAZF3h]po  
-?YTQ@ W  
$S=~YzO  
规格：柱形抛物面反射镜 4`U0">g
Y  
                         ig2+XR#%  
 有抛物面曲率的圆柱镜 +fd@K  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 <ql w+RVt  
 曲率半径等于焦距的两倍 pgd8`$(Q  
qQxA@kdd  
S2 "=B&,}  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） EwD3d0udL  
(\T0n
[  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 v"~Do+*+  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） [l':G]  
 离轴角决定了截切区域 *|k;a]HT  
2\nN4WL 5.  
规格：参数概述（12° x 46°光束） EzIs@}  
3xzkZ8]/  
   WfRfx#MMt  
;;?vgrz  
光束整形装置的光路图 Cx+WLD  
)W`SC mr]  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 wMz-U- z  
 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。 v.Xoq  
-*|:v67C&  
反射光束整形系统的3D视图 3T|Y}  
w!WRa8C  
/}w#Jk4pD  
zUs~V`0  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ,jRcl!n`  
 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）。 H\fcY p6  
U~*c#U"bh  
详述案例 }3f BY@  
a#+>w5  
模拟和结果 l]_b;iux  
4L5o\'X  
结果：3D系统光线扫描分析 $T?*0"Mj[  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 L`UG=7r q  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 K DYYB6|  
v<;: 0  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd JBR[; zM  
*me,(C  
使用参数耦合来设置系统 l#D-q/k?  
M[aT2A  
co5y"yj_  
自由参数： ?fK^&6pI  
 反射镜1后y方向的光束半径 1$$37?FE  
 反射镜2后的光束半径 u12zRdn  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,0!uem}1i  
 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。 8zdT9y|Ig  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 OlMBMUR:  
! FNf>z+  
+w"_$Tj@;  
07x=`7hs}  
f1A_`$>  
$`|5/,M%QN  
VS?dvZ1cC  
自由参数： jm[}M  
 反射镜1后y方向的光束半径 BBcj=]"_
 
 反射镜2后的光束半径 Bn\l'T  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） $^t<9"t  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 ?^|QiuU:n  
< CDA"  
p ZtgIS(3  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 v"rl5x  
M Hg6PQIB  
d7* CwY9"  
结果：使用GFT+进行光束整形 )o{VmXe@@  
Zvxp%dES  
HOfF"QAR$  
zLP],wB  
NS@{~;#R  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 KxY$PgcC  
<P1rqM9^  
UR}kB&t  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 l]H0g[  
4IZlUJ?j+c  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 AM'gnP>  
?w*yW;V`  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： wxj>W[V  
1]j^d  
\<ZLoy_  
8W;2oQN7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }qAVN  
`fz,Lh*v  
结果：评估光束参数 ym\(PCa5`  
-ui<E?v  
QQFf5^  
 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。
Z'Q*L?E8M  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 >B_n/v3P(M  
nd:E9:  
Y9u;H^^G  
 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。 <W*xsh
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） r,4lqar;E  
SauH>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd /Wu|)tx  
H8f]}  
光束质量优化 V@%  
0I5&a  
^,TTwLy-t  
 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。 OQScW2a&  
 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）。 ,."b3wR[w  
,3HcCuT  
结果：光束质量优化 a }'->H  
J-V49X#  
SdJ/4&{ !  
 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。 9JnY$e<&  
yfEb  
q+ pOrGh  
7LCp7$Cp  
 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。） ^aF8w
buZ  
zN~6HZ_:^  
8;8c"'Mn  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd P`jL]x  
uLk]LT
 
反射镜方向的蒙特卡洛公差
" xR[mJ@U  
|c2xy  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 bk<FL6z z  
WKl+{e  
rNlW7Y  
 这意味着参数变化是的正态 #yW\5)  
l! v!hUb+  
W3rl^M=r  
&|Np0R  
~n?>[88"  
 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。 ^"i~DC  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 *5VXyt2  
/nZ;v4  
G7@O`N8'  
0F:1\9f5  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run xW_yLbE  
7N=-Y>$X  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ）  Paj vb-f  
Uxu\u0*  
cz/Q/%j$/  
T vtm`Yk\  
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。 ?okx<'"[  
O+~ 7l?o  
总结 =ll=)"O  
~1kXUWq3  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +&|S'7&{  
1.模拟 q|.dez'  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 D@oCP =m<  
2.研究 IMGP
'g  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 6oD\-H  
3.优化 ve6w<3D@  
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。 hk>;pU(  
4.分析 nBItO~l  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 $s5a G)?7  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 E=]4ctK  
*|#T8t,}n  
参考文献 @b#^ -  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). ZD>a>]  
<Fz~7W
Vd  
进一步阅读 \ I`p|&vG  
^:=f^N=^  
进一步阅读 9uk<&nqx  
 获得入门视频 tBATZ0nK`Q  
- 介绍光路图 I=DxRgt  
- 介绍参数运行 zj{r^D$  
 关于案例的文档 XT>.`, sv  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens qJ4T]FVN  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens Zw1U@5}A  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing %@"!8Y(j  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair