[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） Dk^AnMx%_  
G/Sp/I<d  
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 4BCe;Q^6  
iLuC_.'u=  
2.niB>  
?#=xx.cF  
简述案例 Uc {m##!  
VnsV&cx  
系统详情 Fb]+h)on  
 光源 rN}
8~j  
- 强象散VIS激光二极管 3PU_STSix  
 元件 4-x<^ ev=  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） d2#
NRqgQ  
- 具有高斯振幅调制的光阑 cZ:jht  
 探测器 %5gdLm!p  
- 光线可视化（3D显示） j@z IJ  
- 波前差探测 Mww^  
- 场分布和相位计算 /Rq\Mgb  
- 光束参数（M2值，发散角） $YEm(:v$  
 模拟/设计 ]<\YEz&A  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 %}9tU>?F#  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： p lnH  
 分析和优化整形光束质量 b+|Jw\k  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 r3g^0|)  
PO"lY'W.U  
系统说明 nTr%S&<+"  
js81@WX!c  
Ldz]FB|  
模拟和设计结果 5U475&  
Ie. on)  
数值探测器结果 #!R>`l(S  
ct3i^,i  
~TRC-H  
$3HqVqF^R  
[Xu8~c X  
总结 r/!,((Z\  
"?3=FB
p&  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 UGO;5!  
1.模拟 _f%s]  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 4<#ItQ(  
2.评估 |})s0TU  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 M[mYG _{J  
3.优化 )_jboaNzwI  
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。 OX;(Mg|  
4.分析 D
z~0(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 'lZlfS:Z8  
a|u#w~  
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。 (WT\
HR  
_k2R^/9Ct%  
详述案例 gLv+L]BnhH  
]\xt[/?{  
系统参数 dA hcA.  
})-V,\  
案例的内容和目标 y]jx-wc3O  
6LDZ|K@  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 I_ZJnu<  
5?>4I"ne  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 _VT{2`|})  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 ]2@(^x'=  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Mg
w#4LU  
FS
QB{9,H  
模拟任务：反射光束整形设置 !.j{vvQ/  
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。 F|F0#HC ?  
MeBTc&S<  
]vQa~}  
bPOPoq1#  
daKZ*B|  
ED>7  
规格：像散激光光束 {A0F/#M]  
#g6_)B=S  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 bPFGQlmIO  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 NRx 7S9W  
yf:0u_&]  
XE2Un1i}j1  
4~Cf_`X}]  
~RbVcB#  
QfEJU8/5d  
规格：柱形抛物面反射镜  ,h^6y  
                         =cl#aS}e8  
 有抛物面曲率的圆柱镜 vb~%u;zrC@  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 @sn:%/x_  
 曲率半径等于焦距的两倍 ZvF#J_%gE5  
O<s7VHj  
W@AHE?s6g  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） %_E5B6xi{  
pA.orx  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 ^N<aHFF  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） (>0`e8v!  
 离轴角决定了截切区域 wetu.aMp  
B@-\.m  
规格：参数概述（12° x 46°光束） tQzbYzG
b7  
Gk
5'|s  
   MlWKfe<  
zdJPMNHg  
光束整形装置的光路图 jj&G[-"bv  
rwDLBpk  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 %@:>hQ2;  
 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。 G
%~Vb  
PNAvT$0LaZ  
反射光束整形系统的3D视图 Q+Nnj(AQY  
esSj 3E  
]B(}^N>WH  
6g-jhsW6  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Q)aoc.f!v  
 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）。 DH.`  
&k)+]r  
详述案例 Ia](CN*;6  
Qf0P"s`  
模拟和结果 %t_'rv  
i-0 :Fs  
结果：3D系统光线扫描分析 Q%aF~  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ]Qe~|9I  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ;VCV%=W<  
1<@lM8&.kO  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 9Y2u/|!.3  
*}:P  
使用参数耦合来设置系统 ]kNxytH\o  
.nIGs'P  
i/!{k2  
自由参数： rIPg,4y*S!  
 反射镜1后y方向的光束半径 |8}y?kAC  
 反射镜2后的光束半径 [x>Pf1  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） TCzz]?G]la  
 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。 d3EN0e+^  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 j\KOKvY)  
hlyh8=Z6o  
GX19GI@k  
3 a(SmM:  
t#M[w|5?  
!pe[H*Cy  
|qpm  
自由参数： EO'+r[Y  
 反射镜1后y方向的光束半径 2O(k@M5E?  
 反射镜2后的光束半径 TS=%iMa  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） + ,]&&  
 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。 ~xam ;]2  
++w{)Io Z  
bg3kGt0  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 *C)m#[#:u  
eiOAbO#U  
dG3?(}p+  
结果：使用GFT+进行光束整形 $hJ 4=F  
X%!?\3S  
3|e~YmZx  
!U5Cwq  
s!0
9cS  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 r_ 9"^Er  
!b
K;/)  
;mV>k_AG  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 p^{yA"MQ  
N<(rP1)`v  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 %xx;C{g;a  
oMn'{+(w  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： '
#K~hep  
^l(,'>Cn  
L(y~ ,Kc  
K:4G(?w  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 2DZ&g\|  
|[V6R\l39  
结果：评估光束参数 ]w)
uo4<^J  
<1sUK4nQ,  
oPAc6ObOV~  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ,+Ya'4x  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 |%Y=]@f  
>hnhV6ss  
"H=fWz5z  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 +ZwTi!W  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） }sZy|dd  
BhyLcUBuB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ,({%t  
_}`y3"CD7  
光束质量优化 aIfB^M*c5  
48GaZ@v  
w@N)Pu  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 up3mum  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 + L5  
]w8h#p  
结果：光束质量优化 Xp|$z~  
3v~}hV/RUy  
a- /p/ I-%  
 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。 /X\:3P  
.fzns20u  
G#^6H]`[J:  
B8-Y)u1G  
 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。） ~r]$(V n  
1N8YD .3  
\cAifU  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd ^
6,}*@  
JZNvuPD  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 >F!X'#Iv  
Ac,bf 8C  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 oA ]F`N=  
YH[HJ#:7r  
b@1";+(27  
 这意味着参数变化是的正态 P$A'WEO'  
0[OlJMVf  
+m6acu)N.  
wMiRN2\^  
"8yDqm  
 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。 52Q~` t7F  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 s[/)v:  
%aJ8wYj*  
|fWR[\NU  
m3b?f B  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run B\7 80p<  
h6gtO$A|p=  
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） `XwKCI  
fPsUIlI/A  
[%7oq;^J  
.`N&,&H  
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。 oth=#hfU^  
Ru`7Xd.
  
总结 ez*
O'U  
kv3V|  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ~D Ta%J  
1.模拟 =^3B&qQNq  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 "C%* 'k  
2.研究 LfS]m>>e  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 :j!N7c{  
3.优化 /T/7O  
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。 []eZO_o6j  
4.分析 q"^T}d d,  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 N%
+C5e<  
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。 *6*/kV?F  
*Ry "`"  
参考文献 Uv/?/;si  
[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). ,n+~S^r  
SQVyCxcX_  
进一步阅读 fxk6q$'  
,
!g%`
@u  
进一步阅读 cY\"{o"C  
 获得入门视频 wrt^0n'r)c  
- 介绍光路图 79
(Px2H2  
- 介绍参数运行 be{tyV  
 关于案例的文档 ;F'/[l{+  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 5U&?P  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ns1@=f cO  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing o.
H(&ex|  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair