[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） IEL%!RFG  
58}U^IW  
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 :;%2BSgFU  
p}}R-D&K  
yM6pd U]i  
UP$.+<vm  
简述案例 _b pP50Cu  
k$^UUo6  
系统详情 nSDMOyj+  
 光源 H`XUJh  
- 强象散VIS激光二极管 >jDDQ@  
 元件 ch*8B(:  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） kP=eW_0D  
- 具有高斯振幅调制的光阑 %
?1ew  
 探测器 \i>?q  
- 光线可视化（3D显示） B-RjMxX4>  
- 波前差探测 %Bj\W'V&p  
- 场分布和相位计算 u74[>^  
- 光束参数（M2值，发散角） h]5(].  
 模拟/设计 JMCKcZ%N  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 
[~+wk9P  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： ^ox=HNV  
 分析和优化整形光束质量 rET\n(AJ  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 }`@vF|2L  
^`i#$  
系统说明 (q/e1L-S  

'?{OZXg  
~Py`P'+  
模拟和设计结果 B6+khuG(  
GhAlx/K  
数值探测器结果 ql Ax  
$j%'{)gK  
J'6PmPzY|  
tH@Erh|%  
^cC,.Fdw  
总结 l K{hVqpt  
etDk35!h~,  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 1/B>XkCJ  
1.模拟 ~Y[r`]X`"m  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 >a<.mU|#  
2.评估 f3l&3hC  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 UkwP  
3.优化 3)wN))VBX  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 [C 7^r3w  
4.分析 94`7a<&ZNL  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 r.=K~A  
@}u*|P*  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 =osk+uzzG  
x3=A:}t8  
详述案例 Ys9[5@7  
<Xhm`rH  
系统参数 FBX'.\@`  
aH(J,XY  
案例的内容和目标 f
1RWP@iar  
wD}l$& +  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 Vi
$~-6n&  
bTN
gjc  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
h|9L5  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ' ,wFTV&  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 G^|:N[>B  
m]0;"jeL  
模拟任务：反射光束整形设置 bjW]bRw  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 y3Qsv  
np^N8$i:n  
@Ns Qd_e  
~8Fk(E_  
`:fZ)$sY  
LzKj=5'Y  
规格：像散激光光束 ./Zk`-OBT  
LKB$,pR~1l  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 'W^YM@  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Zd%k*BC  
K:[F%e  
oG?Xk%7&\  
&vMb_;~B  
!X#OOqPr=  
]IQ&>z}<  
规格：柱形抛物面反射镜 [-K&R  
                         X=&ET)8-Y  
 有抛物面曲率的圆柱镜 ',@3>T**  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 e\l7Iu  
 曲率半径等于焦距的两倍 !sP{gi#=  
K#d`Hyx  
O"9\
5(
w  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） `cUl7 'j  
CAWN
Dl4  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 e{K 215  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） xwq (N_  
 离轴角决定了截切区域 Y\k#*\'Y~  
8C:z"@o  
规格：参数概述（12° x 46°光束） n0 {i&[I~+  
:Yh+>c}N  
   xGg )Y#  
%/.b~|,-  
光束整形装置的光路图 !9
r$e99R  
CYP q#rd  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 _C?hHWSf"  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 @o _}g !9=  
"?xHlYj@+  
反射光束整形系统的3D视图 (m/G(wg  
v>)"HL"XG  
sIGMA$EK  
,m:.-iy?  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 -;m0R  
 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）。 9}<ile7^  
+gtbcF@rx  
详述案例 JIOR4'9  
pJ"qu,w  
模拟和结果 ]Ie
 0S~  
Be2DN5)  
结果：3D系统光线扫描分析 Ckuh:bs  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 6j]0R*B7`Q  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 u0c1:Uv#~e  
DU/]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd q"8ea/  
k"zv~`i'  
使用参数耦合来设置系统 c9u`!'g`i  
>W+%8e  
c9 _rmz8  
自由参数： XJ| <?  
 反射镜1后y方向的光束半径 9F;>W ET  
 反射镜2后的光束半径 k)=s>&hl  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） k(G^z   
 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。 f+)L#>Gl?  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 qWPkT$ u  
e\zm7_+i{  
D'PI1 0t  
j-}O0~Jz  
7#Kn8s   
"e>;'%W  
O;jrCB  
自由参数： `e&Suyf4B  
 反射镜1后y方向的光束半径 ~4Fvy'  
 反射镜2后的光束半径 |3"KK  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ,<P vovg_  
 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。 0znR0%~  
#r\4sVg  
#f]SK[nR  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 16(QR-  
>@_^fw)  
*P=VFP  
结果：使用GFT+进行光束整形 rw JIx|(  
!M1"b;  
;'@9[N9  
Wt-GjxGi  
^k">A:E2  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 3bH'H*2  
Y\8)OBZ  
n 0L^e  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 \X D6 pr@  
;h
  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 _A9AEi'.  
&n:.k}/P  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： C33J5'(CA  
eru.m+\  
5Yq@;e  
{cVEmvE8  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd `b7t4d*  
W[e$>yK  
结果：评估光束参数 ENs&RZ;  
( ^Nz9{  
c<Tf 2]vZE  
 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。 V {ddr:]
4  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 X\qNG]  

.}~_a76  
+VOK%8,p  
 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。 "J_9WUN  
 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） M%P:n/j  
>U27];}y  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd tl^9WG  
r52gn(,  
光束质量优化 Pw"-S?`(  
Z,Dl` w  
(gWm,fI RZ  
 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。 VTY 5]|;  
 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）。 R8Fv{7]c  
~U&AI1t+J  
结果：光束质量优化 5K8^WK  
~dTrf>R8M  
 S9FE  
 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。 u <v7;dF|s  
/!XVHkX[  
=^,m` _1  
Si;H0uPO  
 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。） +Q"4Migbe@  
P8/0H(,  
#BH*Z(  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd |#R7wnE[k~  
$suzW;{#  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 pB0 \\wR  
&7tbI5na@  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 \d`h/tHk  
U26}gT)  
%YqEzlzF  
 这意味着参数变化是的正态 0*{%=M  
<*cikXS  
dhK~O.~m  
)oPBa
 
hf&9uHN%7m  
 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。 'YSHi\z ](  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 SSMHoJGm  
/R wjCUf  
AFE~ v\Gz  
;vjOUn[E  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run _u QOHwn  
:&."ttf=  
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） 89(Q1R ?:  
Z=vU}S>r|v  
=]0&i]z[.  
!'*-$e  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 )bscBj@  
=U?dbSf1*  
总结 U z>+2m(  
-m~#Bq  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 u;2[AQ.  
1.模拟 uJ v-4H  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 PB\x3pV!}  
2.研究 svH !1b  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 S;`A{Mow  
3.优化 ,r\o}E2  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ^s"R$?;h  
4.分析 ji0@P'^;  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 v mk2{f,g  
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。 ye5&)d"fa(  

.eVG:tl\  
参考文献 >tW#/\x{  
[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). &gx%b*;`L0  
o0KL5].  
进一步阅读 O3kA;[f;  
nb%6X82Q  
进一步阅读 :eVq#3}  
 获得入门视频 rmg}N  
- 介绍光路图 m!HJj>GEo  
- 介绍参数运行 vUM4S26"NT  
 关于案例的文档 Wvf ^N(  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens  Mb~
F%_  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens DN:EB@  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing BnasI;yWb  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair