[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） j/bebR
}X  
#=f ]"uM<  
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 VZ*Q|  
|n;gGR
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N1UE u,j  
_c|>m4+X  
简述案例 _9Kdcoh  
q4$R?q:^  
系统详情  ]D7z&h  
 光源 i&^?p|eKa  
- 强象散VIS激光二极管 R0fZ9_d7}  
 元件 EjB<`yT  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） lX`)Avqa  
- 具有高斯振幅调制的光阑 >R?EJ;h  
 探测器 }[PbA4l.g  
- 光线可视化（3D显示） ^sq3@*hCw  
- 波前差探测 d8g3hyI5\  
- 场分布和相位计算 #kX=$Bzk  
- 光束参数（M2值，发散角） k6~k  
 模拟/设计 `^s(r>2  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ?Z]}G  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ?x@BZe  
 分析和优化整形光束质量 :Qu!0tY  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 U<eVLfSij  
hX=+%^c%_A  
系统说明 TUZ-4{kV"  
B4&@PX"'>,  
g?(Z+w4A 3  
模拟和设计结果 d {moU\W  
,u(g#T  
数值探测器结果 T}2a~  
6.~(oepu  
KbH#g>.oB  
gsc*![N  
ls,gQ]B:P  
总结 ]xf{.z  
7%8,*T  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 QA.B.U7!  
1.模拟 (EUX>IJ  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 sb(,w  
2.评估 V:!fe+Er  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 gSu+]N  
3.优化 \,JRNL&   
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。 {C*mn!u  
4.分析 i(,R$AU  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 xVKx#X9yk  
"S[VtuxPCU  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 -H.;73Kb[  
)sB`!:~HjP  
详述案例 + 7E6U*  
*D;B%j^;  
系统参数 [ne4lWaE<y  
O(/K@e  
案例的内容和目标 V* fDvr0  
;'tsdsu}  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 I|9e4EX{y  
tq@<8?  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 vn0XXuquzC  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 3=dGz^Zdv:  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Z/;rM8[{&  
yYdXAenQ  
模拟任务：反射光束整形设置 Ko''G5+  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 15U=2j*.b  
j@kBCzX  
RLulz|jC  
sTv/;*  
,[Cl'B  
2HQ'iEu$  
规格：像散激光光束 <ze'o.c  
B7}-g"p$/  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 FAE>N-brQ  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 1 ,D2][  
P$]Vb'Fz  
Q1&: +7%  
#wM0p:<  
s o~p+]  
o{UwUMw5`  
规格：柱形抛物面反射镜 2[M:WZ.1  
                         M_79\Gz"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 B}P,sFghw  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 e>z7?"N  
 曲率半径等于焦距的两倍 %$]u6GKabi  
gdCU1D
\  
Ubn5tN MK  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Nob(bD5SpE  
G =< KAJ  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 3<JZt.|  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 1uXtBk6  
 离轴角决定了截切区域 &nz1[,  
YuPgsJ[m  
规格：参数概述（12° x 46°光束） sL&u%7>Re  
Tm3$|+}$f  
   7ky(g'  
=C#,aoa!  
光束整形装置的光路图 )-jvp8%BK  

Iv/yIS  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ?;{A@icr  
 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。 @KS:d\l}U  
t1ZZru'r  
反射光束整形系统的3D视图 AQ0L9

?   
4-3
B"
  
bQ .y,+  
SxH}/I|W  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 X^xu$d6   
 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）。 OH)SdSBz  
bJBx~  
详述案例 Vn8Qsf1f  
(1jkZ^7  
模拟和结果 1.>sG2*P  
PL8akA#  
结果：3D系统光线扫描分析 s}?98?tYB  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 {g )kT_  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 5.\!k8a  
/+IR^WG#C}  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd BAKfs/N  
wk5a &  
使用参数耦合来设置系统 BO h  
y|lP.N/  
%5z88-\  
自由参数： HQUL?URt  
 反射镜1后y方向的光束半径 c"QH-sE  
 反射镜2后的光束半径 ^OQ_iPPI  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 3(PU=  
 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。 3IJIeG>  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 $x2<D :  
 "= UP&=  
pxY5S}@  
-#Wc@\;  
zzW^AvR  
< )?&Jf>_  
i&bttSRNV  
自由参数： c2F`S1Nu<  
 反射镜1后y方向的光束半径 P4N{lQ.>  
 反射镜2后的光束半径 u>? VD%  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ~I^]O \
?  
 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。 H+: $ 7;  
a\MU5%}\  
m[8#h(s*t  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 =oHJ_  
<A6<q&g|E  
8vP d~te  
结果：使用GFT+进行光束整形 2]C0d8=*?  
0<Pe~i_=  
.#}SK!"B  
)1]C%)zn  
$jntT(V  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 z1:auodI@  
Z'fy9  
}=L >u>cP  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ! TRiFD  
X F40;urm  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 <T&$1m{  
y1AS^'  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： k&?QeXW  
:g\qj? o  
aY?}4Bx  
;x7SY;0*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd LS_QoS  
']rh0?  
结果：评估光束参数 Ri3m438  
EfUo<E  
8uu:e<PLv  
 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。 !#?tA/t@  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 hQ\]vp7V  
[AGm%o=)  
~KNxAxyVi  
 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。 D0-e,)G}V,  
 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） iy4JI,-W  
ew
0 )  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Iq52rI}  
lWdE^-  
光束质量优化 }i[jJb`bY  
VEn%_9(]  
H_2hr[  
 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。 Gm%[@7-  
 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）。 ~cez+VQe  
*%8us~w5/  
结果：光束质量优化 [Q*kom :  
]#qdA(Kl  
@s[bRp`gd  
 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。 aL`pvsn
F  
<)&ykcB  
h'}5"m  
yw
dNwNJ  
 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。） %NBD^gF  
)I<.DN&  
K0v,d~+]  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd w_Ls.K5"  
{
u1t.+  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ,=ICSS~9l  
?+!KucTF  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 l)|CPSN?w  
E=B9FIx~<  
}I;W  
 这意味着参数变化是的正态 Du{]r[[C  
<FJ#Hy+  
emaNmpg  
vJ{\67tK  
\}2Wd`kD  
 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。 "K@os<  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 hb_Ia]b  
J?]W!V7C  
QO k%Q$^G  
Jk~T.p?tF  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run h%O`,iD2  
SAoqq  
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） j4l7Tx  
wVPq1? 9  
MHbRG_zW  
4*54"[9Hr#  
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。 ,aN/``j=  
x?%vqg^r  
总结 Wt8 RC  
WFB2Ub7  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 QA%GK4F70  
1.模拟 ]juXm1)>W1  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 L.GpQJ
8u  
2.研究 XI0O^[/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。 mA4v 4z  
3.优化 z[';HJ0O;  
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。 "&r1&StO  
4.分析 ve.4""\a  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 =thgNMDm"  
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。 Jd%#eD*k9  
$a-~ozr`C  
参考文献 z!1j8o2  
[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). _zOzHc?Q  
D( _aXy  
进一步阅读 )rXP2Z  
Q`oi=OYB  
进一步阅读 /M#A[tZ3  
 获得入门视频 F|PYDC  
- 介绍光路图 s<5t}{x  
- 介绍参数运行 :4WwCpgz,  
 关于案例的文档 \Lc pl-;?  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens X+*| nvq]  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens We9mkwK7C  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 2`lit@u&u  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair