[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Ml)~%ZbF  
/gZrnd?  
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 = R|?LOEK+  
mRB-}  
YRF%].A%2  
_ETG.SYq  
简述案例 A6Ttx{]  
=D.M}xqo  
系统详情 elCDPZTf  
 光源 `An`"$z  
- 强象散VIS激光二极管 B`)o?GcVN  
 元件 2bBTd@m4  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） Z.+-MNWV  
- 具有高斯振幅调制的光阑 W
mTSxneo  
 探测器
dxbP'2~  
- 光线可视化（3D显示） hM^#X,7  
- 波前差探测 0Qvbc}KP8  
- 场分布和相位计算 tL(B gku9  
- 光束参数（M2值，发散角） Y<M,/Y_ !  
 模拟/设计 v# ab2  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 WbC|2!
 
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： rH7|r\]r  
 分析和优化整形光束质量 4jefU}e9#  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 bFk >IifN  
g#qt<d}j  
系统说明 |>a sGP  
"M5P-l$p}  
laN:H mR8  
模拟和设计结果 ss'#sPX  
44 ,:@  
数值探测器结果 e`ti*1]q  
r=6-kC!T9  
s 7re  
-o*IJQ_  
O_aZ\28};C  
总结 XL>v$7`#  
9X&Xc  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 xWlj.Tjt}  
1.模拟 ;$Q`JN=  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 w1B!z  
2.评估 f$$l,wo  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 r4/G&m[V  
3.优化 L A-H  
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。 ?}"$[6.  
4.分析 :GXiA  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 aOWW..|  
KB49~7XjQ@  
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。 J'9hzag  
~
*RG|4#  
详述案例 j*@^O`^v  
c'nEbelE  
系统参数 -b+VzVJZ  
_MQ)  
案例的内容和目标 .g71?^?(  

"Mzb  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 [sJ f)<  
f tW-  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 $,$bZV  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {]1o($.u  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 _<pSCR0  
Qa@b-v'by  
模拟任务：反射光束整形设置 (c;F%m|  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 (UWWULV  
%PozxF:  
umZy=KHj  
_7es_w}R  
a^_\#,}  
-N;$L~`iAt  
规格：像散激光光束 |?k3I/;  
-;1'{v  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束
$sK8l=#  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 /H.w0fu&.S  
"F?p\I)(  
Z5iP1/&D  
i]&C=X  
Zp@j*P  
vYQ0e:P  
规格：柱形抛物面反射镜 Qgx9JJ>  
                         .vsrZ_y?  
 有抛物面曲率的圆柱镜  h>\T1PM  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 6'CZfs\  
 曲率半径等于焦距的两倍 2"+8NfFl  
JDPn   
EH{m~x[Ei  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） AyHhq8Y  
uYVlF@]  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 qv\n]M_&  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） y#F`yXUj  
 离轴角决定了截切区域 lz2B,#  
o2M+=O@  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Xg+Eeg#  
3!E*h0$}  
   K|Jp
kEw  
]@E_Hx{
S  
光束整形装置的光路图 8R?X$=$]!.  
)e&U'Fx  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 to9~l"n.s  
 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。 E4;vC ?K{  
'5xIisP  
反射光束整形系统的3D视图 4WCWu}  
\fC)]QZ  
2I'gT$h  
*_feD+rq  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 cbe&SxJ  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 WUOoK$I~K  
qTc-Z5  
详述案例 g7\MFertR^  
='r86vq  
模拟和结果 <ZmC8&U
o  
t&scvXh  
结果：3D系统光线扫描分析 9!'qLO  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 t Qo)*z  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 y04md A6<  
+xoh=m  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd K1y]  
!O|d,)$q  
使用参数耦合来设置系统 J,N='~kfh  
z~Zu>Q1u[  
])`+ 78  
自由参数： _0HCtx ;  
 反射镜1后y方向的光束半径 \Af25Mcf:  
 反射镜2后的光束半径 +yC]f b  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） %[3?vX  
 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。 /G[2   
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 `D *U@iJ  
R<\5q%@G  
}ACWSkWK  
GJTKqr|1O  
+]?/c>M  
zNTcy1Sthk  
`)i'1E[9  
自由参数： aTi2=HL=S  
 反射镜1后y方向的光束半径 Ltk'`  
 反射镜2后的光束半径 Pv-El+e!  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） v67utISNI  
 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。 {?X#E12vf  
%K9pnq/T^  
K;uOtbdOK  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 k&JB,d-mJ%  
Z"ce1cB  
}G{'Rb  
结果：使用GFT+进行光束整形 o`tOnwt
  
:eHD{=  
XSfl'Fll D  

VIIBw  
*yx5G-#?  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 cx+w_D9b!  
rN$U%\.I  
aL)}S%5o?  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 oc|%|pmRd<  
4O I''i  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 |gV$ks\<  
 F,hiKq*  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： 8
%+F.r  
Ca2He}r`  
cA,`!dG2,  
DJWm7 t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd O {hM  
rnOg;|u8  
结果：评估光束参数 T O]wD^`  
Q4H(JD1f)  
Xl/SDm_p  
 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。 0c-.h  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 /m"#uC!\  
y3Z\ Y[  
7O.?I# 76  
 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。 bU3P;a(  
 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） "d5nVO/  
p1BMQ?=($  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ]J '#KT{  
a+-X\qN  
光束质量优化 v47S9Vm+  
B@+&?%ub:  
|>'.(
 
 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。 (GCeD-  
 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）。 W{El^')F  
;q"Yz-3  
结果：光束质量优化 9Z[EzKd<~'  
}CM</  
8h?):e  
 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。 qOqU CRUe:  
n)<S5P?  
$n><p>`  
?'8('
]/  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） w;OvZo|  
5LX'fL7zU  
#$dEg  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Yk^clCB{A(  
lSG"c+iV  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 S|K#lL  
dSP~R  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 Gi+ZI{)  
A &tMj?  
*.,G;EC^  
 这意味着参数变化是的正态 0K<|>I  
2zPO3xL,  
[6u8EP0xM  
>^Z==1  
j3Yz=bsQ{c  
 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。 w=Yc(Y:h  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ll^#I/  
}o:sU^Pwa  
9j8<Fs0M  
HZl//Uq  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run vU9j|z  
eh6\y79g  
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） \'Z^rjB  
!uc"|S?  
-tH^Deo  
`Ei:Z%@7C  
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。 X4$86  
?l/+*/AR;  
总结 L#~z#  
+?%LX4Y  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 cYx.<b JH  
1.模拟 V"u .u  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 N]|P||fC  
2.研究 t,IQ|B&0  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 '2:HBJ  
3.优化 50R&;+b  
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。 Ls2g#+  
4.分析 $v\o14v  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 zf.&E3Sn  
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。 YcdT/
  
*1b1phh0/  
参考文献 40m>~I^q}  
[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). \(4kEB2s$  
G9AQIU%ii  
进一步阅读 =}1m.  
sIz*r Gz  
进一步阅读
Ch0t'  
 获得入门视频 +6;1.5Tc  
- 介绍光路图 yk0#byW`  
- 介绍参数运行 C#oH7o+_.  
 关于案例的文档 \2OjIEQ
Q  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 7\<}378/^  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens P^-daRb  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing di|5|bn7  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair