[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Jh\:X<q  
F:;!)H*  
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 whY~=
lizn  
;V~rWzKM(  
CzSZ>E$%U  
If-,c^i  
简述案例 &]VQR2J}:  
Zlk,])9Q  
系统详情 {Vxc6,=  
 光源 6QII&Fg  
- 强象散VIS激光二极管 |"R_-U  
 元件 ?Q96,T-) c  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） (LRM~5KVg  
- 具有高斯振幅调制的光阑 pgLtD};S  
 探测器 4bi NGl~  
- 光线可视化（3D显示） e"fN~`NhY  
- 波前差探测 =naR{pI  
- 场分布和相位计算 M@~~f   
- 光束参数（M2值，发散角） #v4LoNm  
 模拟/设计 C
GC-"A/W  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ufw3H9F(O  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ^sifEgG*d  
 分析和优化整形光束质量 =`Po<7D  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 C,A!tj7@  
6Wpxp\  
系统说明 iuC7Y|  
|(V?,^b^ro  
PS=e\(6QC  
模拟和设计结果 22`oFXb'  
bVoU|`c  
数值探测器结果 VEj$^bpp5s  
?;|@T ty%  
+Edzjf~Tt  
#?{qlgv<p  
Q2/MnM  
总结 ;gDMl57PQ.  
A8pj~I/*-  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 q,B3ru.?d  
1.模拟 %K[daXw6E8  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 8Q2]*%  
2.评估 '>j<yaD'  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 I-b_h5ZD6  
3.优化 'K@-Z]  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 Hm%g_Mt  
4.分析 xvU]jl6d  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
XTJvV  
Hjs
}  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 Q>.B
Q;q]  
ao#!7F  
详述案例 XZS5B~E '  
~>V-*NT8  
系统参数 ^=EjadVQ  
+TC1nkX  
案例的内容和目标 8-7dokg>  
*E:x E/M!2  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 q-3]jHChh  
/XcDYMKgh  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 .~3kGf":  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 )QmGsU}?  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 5m4DS:&  
\PpXL*.  
模拟任务：反射光束整形设置 ! ja[4.  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 x97L6!  
9
)`amhf>  
x(8n 9Q>  
OifvUTl9b  
;DuXSy!g  
St@l]u9  
规格：像散激光光束 !X|k"km"  
wtXY:O  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Py|;kF~![  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 7^$)VBQ/  
bd!U)b(}OV  
.WvlaPK  
?aBj#  
P;vxT}1  
V8hO8  
规格：柱形抛物面反射镜 !}y1C
A  
                         G@gh#[b  
 有抛物面曲率的圆柱镜 )6{< i5nJ\  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Z!6UW:&~7  
 曲率半径等于焦距的两倍 I"@p aLZ  
G?`-]FMO  
j!\dn!Xwt  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） %-+j
  
@x1%)1  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 8d!GZgC8R  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） !\-WEQrp\  
 离轴角决定了截切区域 g5+7p@'fV  
vE%s,E,  
规格：参数概述（12° x 46°光束） {uU 2)5i2-  
|;+qld[4z  
   BcQEG *N  
gZO&r#   
光束整形装置的光路图 _X4!xbP  
mdW~~-@H  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 `'i( U7?  
 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。 Xc*U+M>U  
5.vG^T0w  
反射光束整形系统的3D视图 %{!R l@  
]kD"&&HV  
xCXQ<77  
eQUe >*  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ve Tx, \6@  
 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）。 m^V5*JIh  
X|}2_B  
详述案例 LlHa5]E@6  
8w_7O>9  
模拟和结果 Es!Q8.  
aI3CNeav  
结果：3D系统光线扫描分析 aS84n.?vq  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ;W]\rft[  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :>+\17tx  
-MBV$:_R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd :"Y*<=x#2  
\]uV!)V5B  
使用参数耦合来设置系统
)1 m">s4  
",yc0 2<  
M
5g\s;y;  
自由参数： $,3J7l3  
 反射镜1后y方向的光束半径 t
yh@^7  
 反射镜2后的光束半径 >6<q8{*  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） M f~}/h  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ;Hmp f0$  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 kLj$@E`4  
^v&D;<&R  
W$0^(FH[  
'n;OB4  
:|+Qe e  

S >yLqPp  
$q$7^r@
 
自由参数：
JH8}Ru%Z  
 反射镜1后y方向的光束半径 `=UWqb(K_  
 反射镜2后的光束半径 a5YIUVCv  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _oG&OJ@  
 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。 FAsFjRS  
W,XTF  
Fv74bC%  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 q_kdCO{:df  
Wp)*Mbq@  
*v ?m6R=)h  
结果：使用GFT+进行光束整形 F@ Swe  
) ZfdQ3  
c(#;_Ve2P  
{vEOn-(7  
t.p~\6
Yi  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 I,yC D7l_  
#Tw@wfaq)  
"]K>j'^Zs<  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 +N`ua  
ziPR>iz-  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 $5x ,6[&  
UT0){%2@  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 2i;7{7  
PHOP%hI$  
zk-.u}RBFG  
%D$]VSP;  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd GZI`jS"lU  
#7ohQrP  
结果：评估光束参数 |a1{ve[  
~5FW[_  
LUB${0BrA  
 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。 g0R~&AN!g  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 1 zw*/dp  
%\]*OZ7  
o1M$.*  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 7d LuX   
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） A,sr[Pa@  
>leU:7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ^nbnbU4'  
'AN>`\mR$  
光束质量优化 y@0E[/O  
[sB 9gY(  
X 1 57$  
 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。 -py@DzK  
 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）。 /|* Y2ETOr  
93Co}@Y;Y+  
结果：光束质量优化 wF((  
% qV 6  
xJ#d1[kzo  
 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。 UQ{L{H   
*98$dQR$  
`BlI@6th  
9eH$XYy
 
 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。） 0u\GO;  
feQ **wI  
g$b<1:8  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ZYC<Wb)I  
~l)-wNqR4r  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 &Z`#cMR{H  
}GeSu|m(  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 ^]TVo\,N  
+E{|63~q  
yu;P +G  
 这意味着参数变化是的正态 iof-7{+3_  
17`1SGZ  
ZIQ [bE7  
#{?qNl8F*J  
'FDef#P<  
 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。 v%q0OX>9X"  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 gHo?[pS%y  
gP;&e:/3  

Z'\h  
cXKjrL[b  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run >r!|sC  
g*_cPU0~m  
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） Q\ 0cvmU  
[n:<8ho  
ME*LHr,  
g"}%2~Urf  
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。 k7T`bYv  
"hsb8-  
总结 ev*k*0  
4rLL[??  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 P
K`D8)=u  
1.模拟 2+e}*&iQpp  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ee^{hQi  
2.研究 8|\8O@  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Sy0$z39  
3.优化 K1M%!JKh)x  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 0eDHu  
4.分析 ,^\2P$rT  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 0"f\@8r(  
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。 L6|oyf  

rR(X9i  
参考文献 $xPaYf  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). oYH^_V  
uFinv2Z'  
进一步阅读 {#@W)4)cA  
oYm[V<nIl  
进一步阅读 DK:o]~n  
 获得入门视频 Na]:_K5Dp  
- 介绍光路图 )QU  
- 介绍参数运行 kY-N>E:  
 关于案例的文档 ]
1#e#M]#  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens D$I5z
.a  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens JehrDC2N  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing rWR}Stc@
]  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair