[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） , v,mBYaU  
O&YX V  
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 T|dQY~n~  
G?e"A0,  
W!|A3V35\:  
vX|ZPn#  
简述案例 vcTWe$;Q  
wN1%;~?7  
系统详情 (
%*CfR:>  
 光源 (GB2("p`  
- 强象散VIS激光二极管 mGR}hsQpn  
 元件 }
? j>V  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） _):V7Zv  
- 具有高斯振幅调制的光阑 s6Ox!)&  
 探测器 rrBu6\D  
- 光线可视化（3D显示） dER#)bGj  
- 波前差探测 vpR^G`/
 
- 场分布和相位计算 *((wp4b  
- 光束参数（M2值，发散角） 0\3mS{s  
 模拟/设计 \z>Re$:  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ;4XvlcGo  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： `tZu~ n  
 分析和优化整形光束质量 $B6CLWB  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 z~tCag8I(k  
V/w:^@5+p  
系统说明 90JD`Nz
 
Fe8JsB-  
&6!~Q,;K-  
模拟和设计结果 n#@/A  
-"J6|Y#8  
数值探测器结果 jIY   
e.pm`%5bO  
\~V ZY  
.yz-o\,gF%  
08)X:@ w?  
总结 Q\(VQ1c  
8#%Sq=/+M  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Cj~45)
r  
1.模拟 TBq;#+1W  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Hya  ";'  
2.评估 eL)* K>T  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 en\shc{R]`  
3.优化 /8!s C D  
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。 -rE_pV;  
4.分析 vCC}IDd
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 3Cq
/ o'  
a'R)3:S  
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。 ?O1:-vpZ  
|12Cg>;j*n  
详述案例 -ya0!D  
S<n3wR"^  
系统参数 z-(#Mlq:!  
+ -e8MvP  
案例的内容和目标 ibDMhW$n  
$V"NB`T  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 w)bLdQ  
/EY^ui  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 u7|{~D&f  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 >M.?qs4  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 4}{S8fGk%  
>V
~q`htth  
模拟任务：反射光束整形设置 T!6H5>zA  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 v4L#^Jw(^p  
4-q7o]%5<  
yjvH)t/!.  
f~Dl;f~H_;  
oF/5mh__(K  
=J.)xDx*  
规格：像散激光光束 yhr\eiJ@6  
& -  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Kq/W-VyGh  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 HtOo*\Ne  
UTQ$sg|7p  
8?']W\)  
hCO*gtA)M  
Egt;Bj#%  
GY4:9Lub7  
规格：柱形抛物面反射镜 -
tT{h4  
                         XgKtg-,  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Uq)|]a&e  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 &0TOJ:RP  
 曲率半径等于焦距的两倍 '{kN
XCnZ  
Ns9cx  
iR4CY-  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） ?n/:1LN,  
<
/<
_e0  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 :c,\8n  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） VS^%PM#:/  
 离轴角决定了截切区域 WX 79V  
V~5vVY_HG&  
规格：参数概述（12° x 46°光束） +IVVsVp
 
{Cs~5jYz  
   OM]p"Jd  
_h_;nS.Y  
光束整形装置的光路图 ^`YSl*:  
/{7x|ay]  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 %kNkDI  
 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。 3Q[]lFJ}F  
ci
5ERv`  
反射光束整形系统的3D视图 0$&Z_oJ  
:<ujk  
S=[K/Kf-  
9|jIrS%/~  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 *|$s0ga C  
 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）。 (5-"5<-@R  
'n4zFj+S  
详述案例 MnKEZ: 2  
lhQ*;dMj%"  
模拟和结果 RZ
|s[bU  
j/9FiuK  
结果：3D系统光线扫描分析 kp<9o!?)  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 L4.yrA-]C%  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ,n &|+&  
QwOQS %  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd s26s:A3rh  
^fnRzX  
使用参数耦合来设置系统 mg'-]>$$]  
6gakopZO  
]N1$ioC#  
自由参数： <%pi*:E|  
 反射镜1后y方向的光束半径 $C#~c1
w  
 反射镜2后的光束半径 ^N Et{]x  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Wf: AMxDm  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 22tY%Y9  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 vU{ZB^+&6o  
RG*Nw6A  
Y;&Cmi  
n)`*{uv$  
?A62VV51CN  
#"i}wS  
wQ.i
ld  
自由参数： '^Sa|WXq  
 反射镜1后y方向的光束半径 [>"qOFCr#:  
 反射镜2后的光束半径 %K ]u"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ) 3YE$,  
 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。 fVf.u'
.8  
krz@1[w-j  
#+Vvf
  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 uY
"88|  
zKiKda%)  
,dh*GJ{5  
结果：使用GFT+进行光束整形 %j^=  
xZ,g6s2o  
sF|<m)Kt{W  
4s"8e]q=  
W&bh&KzCW  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 4|++0=#D$  
M5%u>$2  
^8V]g1]fiG  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 aNXu"US+Sp  
!Rsx)  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ~"=nt@M]  
`?Y/:4  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： ?J<4IvL/  
v5<Ext rV  
YO-O-NEP  
;TaT=
%  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Q*KEODR8\  
>nl*aN  
结果：评估光束参数 :_H$*Q=1  
'MG)noN5  
%W`pTvF  
 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。 y4shW|>5_  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 g~Q#U;]  
vx-u+/\  
y'E)iI*  
 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。 '-ACNgNn  
 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） vEfX'gyk  
0BVMLRB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ]p#Zdm1EL  
A?6b)B/e?  
光束质量优化 IlS{>6  
OjZ+gl}  
\6@}HFH  
 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。 $wX5`d1  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 WddU|-W  
&|9?B!,`  
结果：光束质量优化 ][_:{ N/  
LY^BkH'  
S liF$}J  
 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。 St&XG>nWS  
^{Mx?]z  
orL7y&w(v:  
wePMBL1P*  
 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。） 3btciR!N]  
!0zM@p  
K$K[fcj  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd X|.X4fs  
V#sANi?mpo  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 j&#p&`B  
n){\KIU/O  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 r5F#q  

A}oR,$D-  
Lp{l&-uQ  
 这意味着参数变化是的正态 SUvHLOA  
eJ?SLMLY  
6%:'2;xM  
vO"AJ`_  
^ *m;![$[  
 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。 sy]
1Ba%  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 \)LY_D:  
_YbHnb  
VpJ
2Qpd=  
uT;9xV%ch  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `)SkA?yKI  
!5p01]7  
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）  BeP0lZ  
*UEo&B2+  
>5XE*
9  
q}+9$v  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 03{e[#
6  
w'U;b  
总结 PBkKn3P3  
{OB\~$TH  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 }X}fX#[  
1.模拟 P^.L0T5g  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 <51(q_f  
2.研究 O(wt[AE
A  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 `)K1[&  
3.优化 *Q5/d9B8TN  
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。 W!+5}\?  
4.分析 #O`nQ  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 "EhA _ =i  
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。 dp
-8,Seu  
6(X(f;MEl  
参考文献 s6!aGZ  
[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). >5)$Qtz#  
LLV:E{`p  
进一步阅读 J`V7FlM  
LXfDXXF  
进一步阅读 >a@-OJ.yOk  
 获得入门视频 6uR:/PTG  
- 介绍光路图 0FH
N  
- 介绍参数运行 A"i40 @+  
 关于案例的文档 B-'Xk{  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ANi}q9SC  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens k q_B5L?  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing s#-`,jqD  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair