[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） h/eR  
=rA~7+}  
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 Zv]x'3J#Y  
-Lu)'+  
}K1 0Po'  
M69 w-  
简述案例 v dbO(  
m~#!  
系统详情 W+wA_s2&D  
 光源 ;DA8B'^>  
- 强象散VIS激光二极管 ~fl@ 2  
 元件 ^VW PdH/Fe  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） rVvR!"//yH  
- 具有高斯振幅调制的光阑
hDP/JN8y  
 探测器 bUV >^d  
- 光线可视化（3D显示） U/ V  
- 波前差探测  %R#L  
- 场分布和相位计算 NqHy%'R  
- 光束参数（M2值，发散角） X5fmz%VK@  
 模拟/设计 8bK|:B#6,  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Sgim3):Z  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： CZnK8&VDY  
 分析和优化整形光束质量 r0t^g9K0  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 y4Z&@,_{  
3P~o"a>  
系统说明 o56`  
n8=5-7UT  
fy@avo9  
模拟和设计结果 |yyO q  
]Y6cwZOe  
数值探测器结果 g,`A[z2  
%:>3n8n  
h'J|K^na  

:(dHY  
-aRU]kIf  
总结 }7fZ[J3  
EcIE~qs  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 h1 WT
  
1.模拟 { pu85'DV  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 =U[3PC-N@  
2.评估 c,so`I3rI  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 U<XSj#&8|  
3.优化 hPq%Lc  
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。 @3fn)YQ'  
4.分析 ,h|qi[7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 64Lx-avf  
['z[  
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。 ,Vd\m"K{  
I8oo~2Qw  
详述案例 i'stw6*J  
MT(o"ltQ  
系统参数 NmK8<9`u  
A5,t+8`aci  
案例的内容和目标 8x`.26p  
Iff9'TE  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 yx V:!gl  
q'pK,uNW  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 =4GSg1Biy  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 9a'-Y  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 'mI'dG  
=b;>?dP  
模拟任务：反射光束整形设置 Vcd.mE(t%  
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。 Pxn,Qw*  
MO;X>D=  
2VW}9O  
at2FmBdu C  
H>r!i4l  
zy*/T>{#  
规格：像散激光光束 &A#~)i5gF  
G0E121`h  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ~>9_(L  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 EpQ8a[<-3  
KfF!{g f  
12Y  
;Eu3[[V  
@p\}pY$T  
Z{'i F   
规格：柱形抛物面反射镜 TLehdZ>^  
                         ">?vir^  
 有抛物面曲率的圆柱镜 <nEi<iAY>U  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 [w ;kkMJAy  
 曲率半径等于焦距的两倍 G[jW
<'f  
3Hf0MAt  
g^zs,4pPU<  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） &^4++  
 Q1@A2+ c  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 1}~(Yj@f%  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） =B.F;40  
 离轴角决定了截切区域 ftH:r_"O#  
 TX  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ||yzt!n  
I-OJVZ( V  
   <FZ@Q[RP  
-*.-9B~u  
光束整形装置的光路图 4@xE8`+bG  
arf8xqR-U]  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 [$[:"N_  
 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。 A_KW(;50  
I}R0q  
反射光束整形系统的3D视图 I!^O)4QRx  
QY== GfHt  
b+Br=Fv"T  
qWb+r  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 1^gl}^|B  
 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）。 Bj7gQ%>H4  
 T Q,?>6n  
详述案例 @IXsy  
NO :a;  
模拟和结果 o=
`C<}  
+ nF'a(  
结果：3D系统光线扫描分析 .1LCXW=  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 NVRLrJWpp  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 "Wx]RN:  
3do)Vg4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd B5$kHM%p  
Jec'`,Y  
使用参数耦合来设置系统 "yW:\   
4
bgqg0z>  
QE7V. >J_p  
自由参数： ^Ox3XC  
 反射镜1后y方向的光束半径 qgrg CJ  
 反射镜2后的光束半径 W5R\Q,x6  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） =JmT:enV  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 f7}*X|_Y  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 3h<,  
{AQ=<RDRF  
dUsxvho  
l}qE 46EL  
%;D.vKoh  
- |gmQG  
[<KM?\"1<  
自由参数： IH"6? 9nd  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~ar=PmYV7  
 反射镜2后的光束半径 N;[>,0&z  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +sJrllrE(  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 Gw1@KKg  
+$Rt+S BD  
MuSUKBh
M  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 bwl|0"f+`  
zLJ/5&  
XO'l Nb.  
结果：使用GFT+进行光束整形 Nr=d<Us9f  
7sXxq4  
}[xs~!2F  
/:FOPPs  
BXyo  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 QNl'ZB\  
m?&1yU9  
`ta7Gc/:UY  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 F,'exuZ  
|p-t%xDdr  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 n\Lb.}]1~  
Zcc9e03  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： of@#:Qs  
_(KbiEB{  
x|5k<CiA  
ivz{L-  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd &%/7E_j7  
b?'yAXk  
结果：评估光束参数 +U3m#Y)k  
NG6& :4!  
Q6r7.pk"SU  
 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。 RG4sQ0
 
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 cSm%s  
|.3DD"*  
_x5 3g A  
 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。 jfqopiSi  
 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） W='>:H  
z+
>}RT]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd f1(+ bE%  
jNC4_q&  
光束质量优化 0MdDXG-7  
^) s2$A:L  
s4uhsJL V$  
 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。 Dmu/RD5X:  
 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）。 C;vtY[}<  
}:~x7|~s:  
结果：光束质量优化 c=`wg$2:5  
:]1TGfS  
,xxR\}  
 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。 :EA\)@^$R  
_zwUE  
(/j); oSK  
+o51x'Ld*  
 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。） Ht4;5?/y  
|x-S&-  
x a06i#  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd >cCR2j,r  
KkE9KwZ]W  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ez6EjUk  
1[vi.  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 AD<q%pu&H?  
1OF& *  
L~NbdaO  
 这意味着参数变化是的正态 ;IokThI  
6ZQwBS0
Y  
r|qp3x  
~7zGI\=P@  
Sh8"F@P8  
 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。 1cD! :[  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 '`uwJ&@  
e;[F\ov%  
`u&Zrdr,  
5qP:/*+  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 8Bjib&im  
CLJ;<  
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） Ch3jxgQY  
k|H:  
Yn G_m]  
:d#VE-e  
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。 &E=>Hj(dTG  
LMAE)]N  
总结 
>\Ww;1yV  
ikSt"}/hd  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ]@Uq=?%  
1.模拟 I]EbodAyZ,  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 Gnq?"</  
2.研究 aiu5}%U  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 yLQ*"sw\  
3.优化 ?pB>0b~3-  
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。 F 70R1OYU  
4.分析 1jF`5k  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ]h %Wiw  
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。 PIwFF}<(  
~"k
b7Fxp  
参考文献 h9G RI  
[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). De(Hw& IV  
aN8|J?JH  
进一步阅读 {*I``T_+  
D,k"PaLP  
进一步阅读 !*%WuyCgr4  
 获得入门视频 F6{bjv2A  
- 介绍光路图 >)M`IU[d^.  
- 介绍参数运行 n74V|b6W  
 关于案例的文档 B2'i7Ps  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens cLsV`@J(k  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens M 4?ig}kh  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing +w{*Xk)4  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair