[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） =9oPowq  
 S(S#  
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 V@>r*7\F  
Qy<[7  
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t*@2OW`!  
简述案例 s]mo$ _na  
Q9I j\HbA"  
系统详情 3iw{SEY  
 光源 Q-ni|  
- 强象散VIS激光二极管 G+B~Ix-  
 元件 Cm$.<CV  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） hjaT^(Y  
- 具有高斯振幅调制的光阑 ]\/tVn.'
 
 探测器 !d<"nx[2`  
- 光线可视化（3D显示） D:k3" E"S  
- 波前差探测 ,Jcm+Wb  
- 场分布和相位计算 -':Y\:W  
- 光束参数（M2值，发散角） [SJ6@q  
 模拟/设计 [ W2fd\4  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 >=]'hyn]]  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： T+N|R  
 分析和优化整形光束质量 #cj6{%c4  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 OB[o2G<0  
USFDy  
系统说明 Q{k At%  
[tMZ G%h  
U4 13?
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模拟和设计结果 +C1QY'
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lKEkXO  
数值探测器结果 `ptj?6N-  
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^Rx9w!pAN  
]skkoM  
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总结
piU/&  
h"H2z1$  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 "V&+7"Q  
1.模拟 qlA7tU2p&  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 <hwy*uBrD  
2.评估 (`? y2n)~W  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 rP!#RzL  
3.优化 s7oT G
!  
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。 bT 2a40ul  
4.分析 upeU52@\  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 6U^\{<h_c  
^ wY[3"{  
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。  [`]4P&  
_|"Y]:j_  
详述案例 b)9'bJRvU  
R\XKMF3mN3  
系统参数 5OoN!TEM  
Q5%#^ZdsTd  
案例的内容和目标 Z}|(FRVk  
fX jG5Tv  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ['%69dPh  
~4?9a(>3  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 V7TVt,-3  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 e@{i  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 F@R1:M9*  
c\% r3
8  
模拟任务：反射光束整形设置 kNqH zo  
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。 RZ1 /#;  
h^j?01*Et  
`bc;]@"  
_0gKK2  
%T7nO%p  
l3nrEk  
规格：像散激光光束 "bDs2E+W  
6%Be36<  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 2< hAa9y  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 9o>8o  
={hX}"*D  
/O]t R  
@y31NH(  
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K<5KZ/
4  
KRjV}\}  
规格：柱形抛物面反射镜 (|wz7AY2  
                         ^!q?vo\j|  
 有抛物面曲率的圆柱镜 #$3yz'"QF  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 =V"(AuCVE  
 曲率半径等于焦距的两倍 h[Gg}N!  
*Sh^J+j  
D/h/Y) Y  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） h5yzwj:C?  
%7O?JI[  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 .
" $  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） f@co<iA  
 离轴角决定了截切区域 v`1,4,;,qs  
cWajrLw  
规格：参数概述（12° x 46°光束） t#!yrQ..'G  
42L @w  
   0|; .6\  
@AYRiOodi  
光束整形装置的光路图 :$+-3_oLMQ  
hR5_+cuIp  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ^*\XgX  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 -|rLs$V1r  
.G o{1
[  
反射光束整形系统的3D视图 TY(bPq  
wb Iq&>p  
r < cVp^  
I}2P>)K  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ,ZS6jZ  
 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）。
n&A'C\  
Su 5>$  
详述案例 @Tfl>/%  
upvS|KUil  
模拟和结果  &QNWL]  
>3u]OSb  
结果：3D系统光线扫描分析 ~SvC[+t+U  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 y<C<_2  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 lgpW@g  
.@-$5Jw  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd -)vEWn$3<  
jgS%1/&  
使用参数耦合来设置系统 0P>OJYFr'  
$Ci0I+5w  
hXGwP4  
自由参数： RI2f`p8k  
 反射镜1后y方向的光束半径 g/CxXSv@0  
 反射镜2后的光束半径 8>/Q1(q0  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _Jv 9F8v  
 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。 s_.]4bl.8  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 8.bKb<y  

h d~$WV0#  
m5G\}8|  
wM[~2C=vx  
a}SdW  
NA,CZ  
_tr<}PnZ  
自由参数： ~ d^<_R  
 反射镜1后y方向的光束半径 y0~Ia:y  
 反射镜2后的光束半径 #"fJa:IYG7  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） {G*A.$-d  
 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。 w;v7_  
Q !qrNa6  
a{Esw`  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 >+5?F*`\D*  
)5fQ$<(Z  
H UoyLy  
结果：使用GFT+进行光束整形 >!6i3E^  
4x%(9_8{-  
2FD=lR?6  
sS TPMh  
qz4^{  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 YC]L)eafo`  
w<9>Q1(  
!QmzrX}h  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 qC!&x,}3  
U}Hwto`R  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 wiX~D  
I|$ RJkD  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： '2zL.:~  
~](fFa{  
fQ>4MKLw=d  
Ff^@~X+W<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd *b}>cn)<v  
j<%])  
结果：评估光束参数 ,a?\MM9$  
j\RpO'+}  
*sQcg8{^  
 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。 m\/(w_/?  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 vFrt|JC_{  
m"c :"I6  
~#\i!I;RY}  
 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。 PCc|}*b  
 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） aKF*FFX  
&p<(_|Af  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd =\)IaZ  
J
` {6l  
光束质量优化 nRhrWS  
6)\dBOz  
x}$e}8|8YL  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 o-7>eE}+  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 h06ku2Q  
6)]f6p&e  
结果：光束质量优化 _nT{g  
)_zlrX  
&K^MNd  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 *5%*|>  
VVWM9x  
5H,G-  
lhC6S'vq  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） E& 36H  
f7}"lG]q  
h$C@j~  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd BdbJ< Is  
!a1i Un9  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 PM$Ee #62R  
(g :p5Rl  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 4aZCFdc  
?3sT"r_d@  
$7
I]`Jt  
 这意味着参数变化是的正态 B'>*[!A  
Oi:JiD=  
*.y'(tj[  
IKvBf'%-  
%IpSK 0<Sp  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 D_|B2gdZY  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 (U.**9b;  
Wf02$c0#K  
AZFWuPJo  
^>~dlS  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `!\ivIi^  
d+z[\i  
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） ^[h2%c$  
h\,5/ )Y  
+?-qfp,:0  
^6/j_G  
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。 <D/al9  
[ET6(_=b  
总结 CKARg8o  
SqB/4P  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 s*,cF6  
1.模拟 >?XbU}  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 F1|zXg)  
2.研究 4sY[az  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9n}
A ^  
3.优化 xi {|  
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^&F6  
4.分析 C@dGWAG  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 M1=_^f=&.  
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。 Md(JIlh3  
*M!kA65'  
参考文献 <GWR7rUH  
[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). J6|JWp  
{Qtq7q.  
进一步阅读 =Q?f96T  
`!c,y~r[  
进一步阅读 EnscDtf(  
 获得入门视频
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- 介绍光路图 ~"mj;5Id  
- 介绍参数运行 NXgRNca  
 关于案例的文档 ko[TDh$T5  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens PKtU:Eg  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens {vfq  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing )bW5yG!  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair