[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） x
N0n0  
bb[.Kvq5  
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 hZ-No  
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x a?  
|lAu6d !  
+=hiLfnE  
简述案例 l'T3RC,\  
N~g@  
系统详情 Ua]shSjyI  
 光源 m&jh7)V  
- 强象散VIS激光二极管 B<(v\=xZ  
 元件 D%kY  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） %CJgJ,p
k>  
- 具有高斯振幅调制的光阑 B25@6   
 探测器 ~{'.9  
- 光线可视化（3D显示） O]RP?'vO  
- 波前差探测 p't>'
?UH|  
- 场分布和相位计算 g76l@QYIU  
- 光束参数（M2值，发散角） v|`f8M2  
 模拟/设计 .%;UP7g  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 6j@3C`Yd  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： PpX=~Of~  
 分析和优化整形光束质量 lDd+.44V:  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 Bh?K_{
e  
p< Emy%  
系统说明 %YLdie6c  
 bz'V
50  
6 ?FF!x  
模拟和设计结果 2V7x  
2[: *0 DV#  
数值探测器结果 :a#Mq9ph!  
JaP2Q} &B  
#jn6DL@[{  
j4Ppn  
`!Ei H<H}  
总结 y)o!F^  
833KU_ N  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ]+x;tPo  
1.模拟 DJP)V8]!B  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 U,S&"`a  
2.评估 <X~ X#9V  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 R4v)}`x  
3.优化 CJ0j2e/  
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。 hGyi@0  
4.分析 \TqKm  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 X'4e)E3*O  
vk:@rOpl  
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。 "&Ym(P
 
u6h"=l{  
详述案例 q@1!v  
LyRto  
系统参数 Ub(zwR;  
Ex^|[iV  
案例的内容和目标 MFO}E!9`q  
a.QF`J4"'  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 m:A7*r[  
1V(tt{  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 BtDi$d%'  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ](c[D9I!8  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 1"{3v@yi  
fXCx!3m  
模拟任务：反射光束整形设置 zB`)\
 
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。 zS*GYE(l^  
f!2`N  
r168ft?c  
=+`I%>wc  
S?*pCJ0  
fOtin[|}6@  
规格：像散激光光束
@*jd.a`  
(:W=8G,p  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Cc^`M9dP  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 mle"!*  

L>Bf}^  
j&)"a,f  
Q)x`'[3"7W  
K| #%u2C  
6'd=% V  
规格：柱形抛物面反射镜 -ZqN~5>j)  
                         GWa_^  
 有抛物面曲率的圆柱镜 |Q2H^dU'rQ  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 UV8,SSDTV  
 曲率半径等于焦距的两倍 oyV@BHJO@  
(@Q@B%!!K  
AG6tt  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） KA1Z{7UK%  
tj@IrwC^e"  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 QZ(se  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） aV`4M VWOz  
 离轴角决定了截切区域 ._JM3o}F  
4RYK9=NH  
规格：参数概述（12° x 46°光束） QU0K'4Yx5j  
o(5Xj$Z  
   I8 Ai_^P  
[H$37Hx!  
光束整形装置的光路图 Vh1{8'GQ  
V4p4m@z^u  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 FaO1?.  
 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。 qXmkeidb&W  
\P% E1c#  
反射光束整形系统的3D视图 BhC.#u/   
yAOYe"d  
$r})j
~c  
ek6PMZF:'  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ><9E^ k0.  
 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）。 2OFrv=F  
)+
T\LU  
详述案例 4r5trquC  
iDej{95  
模拟和结果 tEP~`$9  
*ZP
$dQ  
结果：3D系统光线扫描分析 1B+uv0lA  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 td{M%D,R"  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 P wL]v.:  
>-fOkOWXy  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ;A)w:"m  
R<aF;Rvb5  
使用参数耦合来设置系统 8/cD7O  
Iqe=)   
W]cJP  
自由参数： >g8H  
 反射镜1后y方向的光束半径 I_66q7U"0  
 反射镜2后的光束半径 Zhb)n
 
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0 =#)-n  
 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。 %:rct  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 #hPa:I$Oc  
j?sq i9#  
QfjgBJo%  
Ul#||B .c{  
tVJ}NI #  
M_@%*y\o  
K cI'P(
 
自由参数： 8z\v|-%Z  
 反射镜1后y方向的光束半径 yxq+<A4,a  
 反射镜2后的光束半径 #;ezMRKM"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） -7^?40A  
 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。 B;f\H,/59  
f S-(Kmh  
b?Dhhf  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 X1Vx6+[  
gaeMcL_^a  
Sb@:ercC,  
结果：使用GFT+进行光束整形 C" vj#Tx  
wxw3t@%mNm  
owYf1=G  
et[n;nl>V  
m]t`;lr<  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 HmxA2 ~C  
bs{i@1$  
yhnhORSY;  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 LRNgpjE}  
n^Co  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ^~iu),gu  
Wp!#OY1?
 
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： SymBb}5  
p'PHBb8I  
w
@ 1g_dy  
&3a1(>(7F  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd yU"pU>fV@  
@2H"8KX  
结果：评估光束参数 @wa2Z  
r334E  
' fXBWi6  
 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。 c@p4,G  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 3/+r*lv>X  
J=QuZwt  
>^mNIfdE^=  
 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。 a%R'x]  
 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） b|7c]l  
v/dyu  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
5}J|YKyP  
L< 3U)Gp  
光束质量优化 ""LCyKu   
/]pBcb|<  
V5
$J  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 rl#[HbPM  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 <G d?,}\  
VK/@jrL+  
结果：光束质量优化 i-6,r[<  
\1k(4MWd  
;%u'w;sgq  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 !VNLjbee.  
AawK/tfs  
mc{gcZIm  
\_H-TbU8  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） ssdp
wn'  
mM*jdm(!  
1Q$ePo  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd h!c6]D4!L  
ED9uKp<Wbv  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 r3~~4Q4XI>  
\2$-.npz  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 vkFfHzR$  
GtYtB2U  
Dm=d   
 这意味着参数变化是的正态 }o>6 y>=  
RL0#WBR  
#. mc+n:I  
{Pi+VuLE  
o: \&4z&=  
 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。 (``EBEn  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ?fO 2&)r  
41\r7 BS  
\W"N{N  
'A#`,^]uLF  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run z:Sr@!DZ  
q(tdBd'o6  
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） |
~QHCg<  
f>g<:.k*  
YX||\  
+4[L_  
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。 %by8i1
HR  
o6{[7jI  
总结 P=Au~2X  
ZS\jbii8  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1J(` kQ)c  
1.模拟 *-KgU'u?  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 |nfFI  
2.研究 yJ(BPSt  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 ze%kP#c6!  
3.优化 AsBep  
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。 SV-M8Im73z  
4.分析 D%tcYI(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 w!~%v #  
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。 ?Hb5<,1u3  
T]&% KQ  
参考文献 )3
W`>7>  
[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). /h/f&3'h  
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进一步阅读 <"Ox)XG3]W  
*'b3Z3c,;  
进一步阅读 ^h q?E2-  
 获得入门视频 -pWnO9q  
- 介绍光路图 *aE/\b  
- 介绍参数运行 b4l=Bg"  
 关于案例的文档 );8Nj zX1  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ^qn,b/>L  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens v() wngn  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing o\n9(ao  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair