[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） z8[H:W#G  
tQ~<i %;  
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 ~"0@u  
h1XMx'}B  
KO|pJ3  
HRV*x!|I  
简述案例 umjhG6  
:B=8_M  
系统详情 wm=RD98  
 光源 ( f,J_  
- 强象散VIS激光二极管 qon{ g  
 元件 0[lsoYUq  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） u<]m
v  
- 具有高斯振幅调制的光阑 )_8}53C  
 探测器 *J_iXu|  
- 光线可视化（3D显示） poD\C;o"  
- 波前差探测 jJVT_8J  
- 场分布和相位计算 xHB/]Vd-  
- 光束参数（M2值，发散角） T^$g N|  
 模拟/设计 |qlS6Aln  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 9k:W1wgH1  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： q[G/}  
 分析和优化整形光束质量 )4ilCS&  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 e3eVvl5]  
] *-;' *  
系统说明 Xlv#=@;O]  
a jQqj.  
/2e%s:")h  
模拟和设计结果 2QGMe}  
{7?9jEj  
数值探测器结果 Dz`k[mI  
j1YH9T#|D  
?j/kOD0  
?MC(}dF0  
5VR.o!h3I  
总结 aDL)|>"Q  
rH_Jh}Y  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 \sK:W|yy  
1.模拟 Yb[n{.%/g  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 )N(9pnyZH  
2.评估 QsF
4Dl   
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 QjA&IZEC  
3.优化 Di*]ab  
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。 !4R>O6k  
4.分析 ]@X{dc  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 w[(n>  
3;*z3;#}  
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。 =}JBA>q(  
GQN98Y+h  
详述案例 b5j*xZv  
__!m*!sd  
系统参数 _(C^[:s  
ITyzs4"VV  
案例的内容和目标 4`nqAX~'f  
[O2h-`  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 pOm@b`S%  
&=6%
>  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 Dg~ [#C-  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {j?7d; 'j  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 -!cIesK;<  
'61i2\[lZQ  
模拟任务：反射光束整形设置 |rMq;Rgu?  
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。 S'o ]=&  
Xo Y7/&&  
R<_?W#$j
 
XaW4C-D&  
.Gh%p`<  
&5u BNpH  
规格：像散激光光束 W;q+,Io  
ibJl;sJ
 
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 P@gtdi(Q  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 B7HQR{t  
nq'M?c#E  
xO7Yt l  
exQ#<x*  
b3\B8:XFo|  
lUv=7" [  
规格：柱形抛物面反射镜 (SF1y/g@=  
                         H`-=?t  
 有抛物面曲率的圆柱镜 K\P!a@>1  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 T~X41d\  
 曲率半径等于焦距的两倍 *69c-`o  
$
n-Af0tK  
xc;DdK=1X  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） d+6]u_J  
mV?&%>*(f  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 |SQ|qbe=  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 4T`&Sl  
 离轴角决定了截切区域 +K^h!d]  
_ h9o@  
规格：参数概述（12° x 46°光束） n'K6vW3  
~c* UAowS  
   Mra35  
_s+c+]bO  
光束整形装置的光路图 /L&M,OUcr.  

Hx %$X  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 jl}$HEI5m}  
 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。 P~RhUKfd  
0xCz'mJ  
反射光束整形系统的3D视图 Es.nHN^]%K  
Au.:OeJm  
*HE^1IEl  
q[d)e6  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 DM),|Nq"  
 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）。 M2@;RZ(|  
|QMA@Mx  
详述案例 lY'N4x7n  
8IGt4UF
&?  
模拟和结果 XErUS80  
;YyXT"6/p  
结果：3D系统光线扫描分析 -M4p\6)Ge  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 m\vmY  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ?6P.b6m}0  
>xg5z  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd <7)Fh*W@  
t-7og;^8k  
使用参数耦合来设置系统 =o^|bih  
>jx.R  
cCiI{  
自由参数： =Z,5$6%)  
 反射镜1后y方向的光束半径 Dl C@fZD  
 反射镜2后的光束半径 }Qr
6l/2  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） idc4Cf+4  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ,^$
|R32  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 5`-UMz<
]  
o3N]`xD'  
Gy"%R-j7  
7G93,dJ  
SVWIEH0?  
bw4oLu?  
S%mfs!E>  
自由参数： ?+2b(2&MXE  
 反射镜1后y方向的光束半径 Ne6}oQy(S`  
 反射镜2后的光束半径 !EBY@ Y1  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 2/7_;_#vJ%  
 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。 #VGjCEeU  
}|wv]U~  
izZ=d5+K  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 9YN?  
r&3pM2Da}  
OB-Q /?0  
结果：使用GFT+进行光束整形 QM<y`cZ8  
/rc%O*R  
LM)`CELsYc  
7 sFz?`-  
M+P$/Wk  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 [A2`]CE<@  
;_?MX/w|&  
y9l*m~  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 4QHS{tj  
S:bC[}  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 T7*wS#z)h  
HMGB>  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： d_z59  
"3CJUr:Q  
';B#Gx  
]j<Bo4~Il  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
+A8j@d#:  
=aG xg57  
结果：评估光束参数 s +s" MI  
BJ}D%nm}  
p0:kz l4$  
 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-b0\_  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 ~B
i_7 Q  
#Pk$L+C
 
*Zk>2<^R  
 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。 :[l\@>H1tX  
 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） U(>4s]O6  
u.XQ&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 9!',b>C6  
oqd;6[%G  
光束质量优化 Z8O n%Mx{"  
NpP')m!`}  
yay<GP?  
 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。 k?B[>aQn.0  
 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）。 K5>p89mZ  
?%tMohL  
结果：光束质量优化 56lCwXCgA  
/1UOT\8U
 
7cDU
2l  
 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。 LW6ZAETyL  
2F{hg%  
WsU)Y&  
9m2, qr|  
 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。） !|hoYU>@2L  
)-15 N  
1$/MrPT(b  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 3g'S\G@  
(& "su3z  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 t_z>Cl^u  
))kF<A_MK  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 s9;#!7ms  
\W5O&G-C  
8`>h}Q$  
 这意味着参数变化是的正态 +d}E&=p_  
96cJ8I8  
PX:'/{V  
\uqjs+  
S_MyoXV  
 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。 F_iXd/  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 (/d5UIM{&  
qU2~fNY  
Xazo9J  
V]OmfPve  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run i$G;f^Z!Y  
E:sz$\Ht)  
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） G'2#9<c*  
>WJf=F`_H  
<~ad:[  
{^
mNJ  
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。 5,qj7HZF  
#4MBoN(3  
总结 sIG7S"k>p  
0]KraLu"N  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Va,<3z%O<  
1.模拟 S:4crI  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 4(e59ZgY  
2.研究 >z;[2n'  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 E#J';tUQ  
3.优化 !-2R;yo12  
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=R7`a<.5  
4.分析 WV3|?,y]qm  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 \P} p5k[  
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。 /kL$4CA  
qPB8O1fyU  
参考文献 E J$36  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). q{s(.Uq$&  
C{sLz9  
进一步阅读 8h3=b[  
]2#  
进一步阅读 :tIC~GG]_)  
 获得入门视频 ;Op3?_  
- 介绍光路图 ,fK3ZC  
- 介绍参数运行 /{wJEuE  
 关于案例的文档 tQZs.1=z  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens rG#Z=*b%  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens D3|oOOoG  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing A(?\>X 9g  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair