[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 3YF*TxKx  
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2Q  
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 9 &~Rj 9  
Q2[D|{Z  
ZO $}m?  
JY tM1d  
简述案例 YS5Pt)?  
<t0o{}^P*  
系统详情 \f_YJit  
 光源 dF%sD|<)  
- 强象散VIS激光二极管 +<P%v k  
 元件 3N,
!y  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） T7=~l)I  
- 具有高斯振幅调制的光阑 XZeZqBr  
 探测器 3g]Sp/  
- 光线可视化（3D显示） ,#42ebGHR  
- 波前差探测 c91rc>  
- 场分布和相位计算 9+\3E4K  
- 光束参数（M2值，发散角） Svo gvn  
 模拟/设计 4=>4fia&D  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 AtN=G"c>_  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： %Ln7{w  
 分析和优化整形光束质量 i
S^IqS  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 5h^U
]Y#  
FU|c[u|z  
系统说明 PXk+Vi,%k  
Ii,Lj1Q  
%<q l  
模拟和设计结果 S/|'ggC  
+_HPZo  
数值探测器结果 ozbu|9+v  
+`==US34  
8qfg=mu+%  
fRe$}KX
 
3Q`F x  
总结 qsUlfv9L6  
!'No5  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 $*bd})y)I  
1.模拟 1Ig@gdmz  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 A`4j=OF\  
2.评估 Z;aQ/n[`  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 =3J&UQL  
3.优化 O>zM(I+p  
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。 *ws!8-)fH  
4.分析 $Blo`'  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 )Aa98Eu?2  
->x+
 p"  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 3 [lF  
+%G*)8N3  
详述案例 
iXc-_V6  
f$mfY6v  
系统参数 C G~)`  
h5G>FPM-=  
案例的内容和目标 rHu#  
iq '3.-xYr  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 1o7 pMp=  
AAkdwo  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ip4:px-  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 >+=)Q,|R  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 R/M:~h~F!  
w8*+l0  
模拟任务：反射光束整形设置 Cd.pMoS  
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。 nJF"[w,
?  
`?PZvGi  
6>)]7
(B<d  
}> k9]Y  
>b#z o,  
dZm>LVjG  
规格：像散激光光束 h[%`'(  
P8e1J0A  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 K3&v6 #]  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动  gM20n^  
C_?L$3 U0  
EN()dCQHr  
`,4"[6S  
34 W#  
!'Xk=+  
规格：柱形抛物面反射镜 dRyK'Xr
 
                         mCe,(/>l+  
 有抛物面曲率的圆柱镜 LWc}j`Wd  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 b#R3=TQS
8  
 曲率半径等于焦距的两倍 OB8fFd  
d:O>--$_tw  
?@l9T)fF  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） k/O|ia6  
_CPe  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 3@?#4]D{'  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） X3I
\O,"I  
 离轴角决定了截切区域 a<FzHCw  
zTBr
<:  
规格：参数概述（12° x 46°光束） )H#Hs<)Qy  
_wKFT>  
   ?7
^H1L  
<O&L2E @~f  
光束整形装置的光路图 /s(/6~D|  
oL#^=vid"  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 s d>&6R^  
 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。 XQ--8G  
,:G.V  
反射光束整形系统的3D视图 R~CQ=KQ.  
W+&ZYN'E  
+q"d=  
CTbdY,=B  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 xZjD(e'  
 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）。 V#^~JJW^  
MZZ4  
详述案例 ?C//UN;  
/K:M ,q  
模拟和结果 NTuS(7m  
z)=D&\HX  
结果：3D系统光线扫描分析 tXcc#!'4C  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 wt[MzpRP  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 `&b8wF  
2J^6(vk  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd RO=[Rr!   
$[}31=0  
使用参数耦合来设置系统 9`i=kp  
.B{3=z^  
BHOxwW{  
自由参数： MQ5#6vJ  
 反射镜1后y方向的光束半径 uI@:\Rss  
 反射镜2后的光束半径 J2Ocf&y;  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） C[gCwDwl  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 !]&a/$U  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 
+|).dm  
Xz4!#,z/  
m.EI("n"J  
>,Zjlkh3  
Aga2 I#1r  
q-eC=!#}  
kB_GL>fc  
自由参数： jn>3(GRGC$  
 反射镜1后y方向的光束半径 #+|{l*>  
 反射镜2后的光束半径 ,h5\vWZ  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） t8\F7F P  
 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。 n'v[[bmu  
a[]=*(AZI  
*oL?R2#7  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 m,,-rC  
$GNN*WmHw  
y/h~oGxy  
结果：使用GFT+进行光束整形 z
*>"I  
)9 5&-Hs  
r@f8-!{s2h  
%RG kXOgp  
xmb]L:4F  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 RZ:Yu  
fQ=Yf?b  
"yXKu)_  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 g2JNa?z  
<w` R;  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 H ifKa/}P8  
57*z0<  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： _d76jmujJ  
t,M_  
fPZt*A__  
bdZ[`uMD  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd [-_3Zr  
%/"I.\%d  
结果：评估光束参数 Hgu$)yhlj  
ST5L O#5  
>0Y >T6!  
 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=IT`iom1C  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 u\ro9l  
So{
/V%  
i#Io;  
 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。 g(B&A P_e  
 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） LQ`s>q  
JGOry \  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd <{GpAf8-  
dIg/g~ t"  
光束质量优化 nICc}U?k  
Oq@+/UWX
 
y<0zAsT  
 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。 U(P^-J<n1  
 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）。 "XfCLc1 T  
NY 756B*  
结果：光束质量优化 px8988X  
)'+" y~  
*`Swv`  
 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。 /2l&D~d"  
-0r0M)  
\@;$xdA$  
(RVe,0y  
 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。） ^\ A[^' 9  
G d~ v _  
fqrQ1{%UH  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ?!^ow5"8  
_HF66)X7  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 _;
!7:'J  
h?R{5?RxK  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 .DsdQ4Y  
U;`
C%vHff  
SQ
8xfD*  
 这意味着参数变化是的正态
vz5x{W  
dp
#JvZb  
/Cy4]1dw  
SW5V:|/  

3}aKok"k  
 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。 7OAM  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 X-LCIT|1  
r5 tn'  
K8#MQR2@  
$`j%z@[g  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run jq%%|J.x  
Em)U`"j/9  
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） } I>68dS[  
$inlI_  
\ vn!SO7  
ypU-/}Cf,  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ~_Q~AOFM  
bGw56s'R5~  
总结 T_R2BBT v  
F<.oTP-B  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 S
U,G0.  
1.模拟 P.bxq50  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 qm^|7m^  
2.研究 fi%)5
20  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 >~@O\n-t  
3.优化 P5Lb)9_Jw  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 M~%P1@%  
4.分析 _%g L  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 r{>Q{$Q  
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。 YRg"{[+#]k  
mtU{d^B  
参考文献 Z8C~o)n9  
[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). }NjZfBQW`  
nTsKJX%\  
进一步阅读 >{6U1ft):  
\SSHjONX  
进一步阅读 9|D*}OY>  
 获得入门视频 ^H"o=K8=  
- 介绍光路图 u9nJ;:  
- 介绍参数运行 X)e#=w!fi3  
 关于案例的文档 =6Fpixq>  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens d1P|v( `S9  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 1aI&jdJk  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing E1r-$gf_  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair