[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） c;"e&tW  
286r
eeN/e  
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 `W+-0F@Y?@  
~/JS_>e#6P  
W/t,7lPFb  
d`flYNg4  
简述案例 s#a`e]#
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3V^5 4_  
系统详情 4[kyzz x  
 光源 u8>aO>(bVg  
- 强象散VIS激光二极管 y>E:]#F  
 元件 n CX{tqy   
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） p9 ,[kb  
- 具有高斯振幅调制的光阑 YRBJ(v"9  
 探测器 '-N5F  
- 光线可视化（3D显示） MS#*3Md&y  
- 波前差探测 1twpOZ>  
- 场分布和相位计算 -eh .Tk  
- 光束参数（M2值，发散角） T*#M'H7LSQ  
 模拟/设计 %vZHHBylu  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 d(V4;8a0  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： QP50.P5g  
 分析和优化整形光束质量 FXr\  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 U<sGj~"#  
JCBX?rM/  
系统说明 v%2Dz  
e&T-GL  
uZ3do|um  
模拟和设计结果 @VIY=qh  
M1NdlAAf  
数值探测器结果 EHhc2^e  
^`SEmYb;  
W,yLGz\  
1##@'L|u  
VKYljY0#  
总结 0$-|Th:o  
8:S+*J[gSn  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 < -W8  
1.模拟 z<fd!g+^  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 I;wxgWOP  
2.评估 W"
vkmk  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 (Ly^+Hjg  
3.优化 pYAKA1F  
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。 J> ,w},`  
4.分析 >cmz JS  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 YG=:lf  
y1}2h
T0,  
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。 _](y<O^9yO  
45[,LJaMd  
详述案例 }dMX1e1h8  
z(.,BB[  
系统参数 : 4-pnn  
MxX)&327  
案例的内容和目标 -W@nc QL}  
[Rq|;p  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 `DSFaBj,  
{%k[Z9*tO  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 adri02C/  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 4:O.x#p  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 kRwY#  
 %rlqq*  
模拟任务：反射光束整形设置 $'d,X@}8  
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,: $  
$39TP@?:Z)  
CXz9bhn<4  
0(u}z  
!UPB4I  
OKau3T]  
规格：像散激光光束 ?G!p4u?C  
dG~U3
\!  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 l]t^MEoc8  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 nB :iG  
q2`mu4B  
ZR)M<*$  
J
~`!@!  
N|@tP:j  
@Ss W  
规格：柱形抛物面反射镜 /GJL&RMx  
                         [K4k7$  
 有抛物面曲率的圆柱镜 -%>Tjo@Bn  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 dikX_ Q>D  
 曲率半径等于焦距的两倍 KX!/n`2u  
n[i:$! ,  
7iv g3*  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） z$g__q-  
k+i0@G'C(  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ${ DSH  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 6q0)/|,@  
 离轴角决定了截切区域 $JBb] v8_  
m@D :t5  
规格：参数概述（12° x 46°光束） h?4EVOx+  
9Ou}8a?m"  
   -cn`D2RP  
?/,V{!UTtq  
光束整形装置的光路图 h;#^?v!+  
2p 7;v7)y  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 4wEkxCWp/  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 r~,3  
apM)$  
反射光束整形系统的3D视图 :]8A;`G}  
*N{k#d/  
EUgKJ=jw  
$6r> Tc](  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 YReI|{O$c  
 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）。 |?f~T"|>  
^K~=2^sh  
详述案例 , :KJ({wM  
<+%y  
模拟和结果 C\{hN  
n1R{[\ >1  
结果：3D系统光线扫描分析 :y{@=E=XSC  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 0R]'HA>  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 G(F=6L~;  
Gw6!cp|/  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [V;u7Z\r-  
DI-CC[  
使用参数耦合来设置系统 p>T  
g*4^HbVxt  
2*n~r  
自由参数： K^b'<} $|p  
 反射镜1后y方向的光束半径 8yZs>Og?  
 反射镜2后的光束半径 /6x[C  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） {=3'H?$  
 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。 L0%W;m  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 %(\et%[]  
'XYjo&w  
Fs=E8'
b  
l u{6  
?4W6TSW-'  
2G:KaQ)  
n5fc_N/8O=  
自由参数： 7s0y.i~  
 反射镜1后y方向的光束半径 x;STt3M~  
 反射镜2后的光束半径 d:z7 U  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） CX5>/  
 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。 Wh%@  
ej(< Le\  
uSxldc  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 69odE+-X.  
sbhUW>%.  
w(y 9y9r]  
结果：使用GFT+进行光束整形 $TAsb>W!(  
8ux  
d=g,s[FMm  
/Hq#!2)  
%~lTQCPE  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 +ul.P)1J6  
u*7>0o|H:  
mMK 93Ng"&  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 yOk]RB<'r  
Q$yQ^ mG  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。  SmAF+d
 
ExOSHKU,e  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： OZ<fQf.Gh}  
,A0v 5Q<  
)Tn(!.  
).MV1@s  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %w3tzE1Hq  
axkNy}ct  
结果：评估光束参数 1w 9zl}  
}ol<DV  
^|cax|
>  
 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。 9N<TJp,q  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 I$fm"N  
.;:dG  
k& ]I;Aq  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 lt0byn$vz  
 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）
+OOmy  
R\u5!M$::  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd {-)I2GJav  
srS5-fs  
光束质量优化 +3R/g@n  
[ofZ1hB4  
yV)9KGV+:  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 {>X2\.Rl  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 !WD^To  
mr XmM<  
结果：光束质量优化 ^`9O$.'@  
CEI.*Iywu  
%hRH80W|  
 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。 )=#zMdK&  
Tnnj8I1v  
Y0o{@)Y:  
mk3,ke8  
 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。） ZBc8^QZ  
w.-J2%J  
TJ0;xn6o  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd U~8, N[  
R'B-$:u  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ,Y0qGsV  
D[K!xq  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 |u^~Z-.  
[T2!,D.  
AK$i0Rn;pm  
 这意味着参数变化是的正态 AaDMX,  
4 :M}Vz-  
e,@5`aYHM@  
O|&SL03Z8  
VVi3g
  
 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。 jG/@kh*m  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 WWVQJ{,}  
-^$IjK-N  
{6>:=?7]R  
Tl-Ix&37  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run I=4G+h5p  
XWUi_{zn  
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） LP//\E_]  
b}m@2DR'|m  
RnUud\T/  
249DAjn+  
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。 ?H21Ru>:*  
_#6*C%ax  
总结 ,o6,(jJU  
HurF4IsHk  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 l\{r-F N  
1.模拟 VJ-To}  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 iY3TB|tMt  
2.研究 zkHyx[L  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 "V<7X%LIX  
3.优化 S+-V16{i  
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。 'M%uw85  
4.分析 %ERR^  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 z_nY>_L83*  
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。 _5v]69C#  
vH>s2\V"  
参考文献 r<_qU3Eaj  
[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). vk|xYDD  
O+ J0X*&x  
进一步阅读 7Q #A  
li%A?_/m<&  
进一步阅读 FLaj|Z~#)  
 获得入门视频 %[k"A  
- 介绍光路图 23P7%\  
- 介绍参数运行 uB+:sX-L  
 关于案例的文档 LTnbBh*mc  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens )W!\D/C+  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens  J?qikE&  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Ft
ybF  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair