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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 正序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) mGUO6>g  
    p Dx-2:}  
    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 vx_o(wof  
    (/-hu[:  
    *KY=\ %D  
    P}ok*{"J<>  
    简述案例
    KDl_?9E5  
    ")O`mXg-  
    系统详情 @_:]J1jw7  
    光源 %>-@K|:gS  
    - 强象散VIS激光二极管 ~8"8w(CG*I  
     元件 [gy*`@w  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) 7XKY]|S,'  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 \0lnxLA  
     探测器 pj4!:{.;  
    - 光线可视化(3D显示) 9% l%  
    - 波前差探测 )ZrS{vY  
    - 场分布和相位计算 ZxV"(\$n  
    - 光束参数(M2值,发散角) [aI]y =v  
     模拟/设计 / XnhmqWm%  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 jM-)BP6f4  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): h~{aGo  
     分析和优化整形光束质量 7eWk7&Xul  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 V[-jD8=' 3  
    ) ri}nL.  
    系统说明 VJ ^dY;  
    *(PL _/:  
    .9md~j:o^s  
    模拟和设计结果 &Tl 0Pf  
    zIP6\u  
    ` PYJ^I0  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 WTImRXK4  
    "D?z  
    %QKZT=}  
    N3u((y/  
    JXyM\}9-X  
    总结 ynA|}X  
    ui(^k $  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 %Y!Yvw^&P(  
    1.模拟 )M__ t5L  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Us+pc^A  
    2.评估 bdGIF'p%  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 | 9~GM  
    3.优化 ~z"= G5|  
    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。 Q#nOJ(KV  
    4.分析 !"8fdSfg w  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 G7N| :YK  
    2tal  
    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。 *N{emwIq  
    4)1s M=u  
    详述案例 Qg6 W5Hc  
    &ZL3{M  
    系统参数 &3yD_P_3  
    F<!)4>2@  
    案例的内容和目标 ^h{)Gf,+\  
    ;|UF)QGa2  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 ,=l7:n  
    (PfqRk1Y  
    0{#8',*}m?  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 P;k0W>~k  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 ,_"AT! r  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 {dmj/6Lc  
    ?s:d[To6  
    模拟任务:反射光束整形设置 PssMTEf  
    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。 bT&: fHc  
    gks{\H]  
    /% kY0 LY  
    JGuN:c$  
    `F/Tv 5@L  
    / ~^rr f  
    规格:像散激光光束 n5{Xj:}  
    6 ~ >FYX  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 kYLM&&h  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 4q<=K=F  
    +"1NC\<*  
    J_FNAdQt  
    %Qj;,#z  
    |^A;&//  
    +Z85HY{  
    规格:柱形抛物面反射镜
    t*?0D\b 2  
                             6H'HxB4  
     有抛物面曲率的圆柱镜 5|1 T}Z#;  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 .-<k>9S7_  
     曲率半径等于焦距的两倍 1bH;!J  
    uJ6DO#d`P  
    X=> =5'  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) tzs</2 G,  
    P LueVz  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 g H G  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) {uHU]6d3qy  
     离轴角决定了截切区域 0=K9`=5d0  
    9ksE>[7  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) Mb]rY>B4  
    qM.bF&&Go  
       EI^06q4x  
    Ybn`3  
    光束整形装置的光路图 .j-IX1Sa  
    =MvjLh"s  
    I6Ce_|n ?k  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 +-G<c6 |  
     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。 f-%NaTI  
    !&"<oPjr+  
    反射光束整形系统的3D视图 PK"c4>q  
    3JVK  
    Lliq j1&  
    >Bgw}PI  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 x l#LrvxI  
     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)。 2/0v B>  
    qBCK40   
    详述案例 [B|MlrZ  
    d,=r 9.  
    模拟和结果 y>aZXa  
    O/<K!;(@?  
    结果:3D系统光线扫描分析 FD8N"p  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 *;fw%PW  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 ;]pJj6J&v  
    ph-ATJ"  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %b"\bHH  
    uxzze~_+C  
    使用参数耦合来设置系统 E~_]Lfs)  
    iySRY^  
    ?G -e](]^<  
    自由参数: UNkCL4N  
     反射镜1后y方向的光束半径 7=DjI ~  
     反射镜2后的光束半径 1SR+m>pL  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) `4~H/'%QB  
     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。 tz&y*e&  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 wy}k1E'M  
    $9ky{T?YG  
    Gqy,u3lE  
    $n^gmhp  
     $O dCL  
    ()3O=!  
    \ 5,MyB2/`  
    自由参数: &T}''  
     反射镜1后y方向的光束半径 sn?]n~z  
     反射镜2后的光束半径 WuZ/C_  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ''Cay0h  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 T.qNCJmB  
    ](^(=%  
    Ed ,D8ND  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 C,.Ee3T  
    !1G."fo  
    Vl2XDkhq  
    结果:使用GFT+进行光束整形 ^tCd L@$AS  
    Co3:*nbRv  
    ]hbyELs  
    Y "VY%S^  
    S*,rGCt'T  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 al[n, u  
    ;JRs?1<='  
    w-0mzk"  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 | a# f\  
    XB_B4X1R  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 MG{YrX)oi  
    "^1L'4'S  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: `Ps:d^8*P  
    '_$uW&{NI  
    NoJ`6MB  
    <dvy"Dx   
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Zw~+Pb  
    MXyaE~LK  
    结果:评估光束参数 Bk+{RN(w  
    zdp/|"D!  
    o#hjvg  
     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。 Ogp"u b8  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 EMc;^ d  
    $/7pYl\n  
    ku..aG`  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 3q?\r` a  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) "hy.GWF|*  
    STJJU]H  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd po}F6m8bX  
    ZZyDG9a>7  
    光束质量优化 Vy|6E#U  
    YQS5P#  
    %~QO8q_7  
     通常,使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此,我们使用测量的半径作为腰束半径(消除发散角)来生成一个高斯光束。 7YAIA%8  
     之后,将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑(在一个透射函数元件中)。
    MG?0>^F  
    Rd>B0;4  
    结果:光束质量优化 yA3wtm/?  
    kMsnW}Nu  
    ~M(5Ho  
     由于通过高斯孔径传播,光束显示出理想高斯形状。 因此,M²值在两个方向上几乎都是1。 >pr=|$zk=  
    XJ Iv1s\g  
    h)me\U7UC  
    h?$T!D>  
     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。) 0j_bh,zG#  
    1U,1)<z~u  
    \t|M-%&)4  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd VG>vn`x>a  
    :F?x)"WoQ+  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 ${8?N:>t  
    OK{xuX8u  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 =GXu 5 8  
    +L=*:e\j  
    0W%@gs5d&  
     这意味着参数变化是的正态 u@3y&b  
    dCFlM&(i  
    $ F S_E  
    {bPV)RL:  
    z~\t|Z]G,|  
     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。 ]0r|_)s  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 BJS-Jy$-  
    W8g' lqc|  
    wap3Kd>MP  
    v{ <[)cr  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run c )7j QA  
    wP/A^Rs  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) 99EXo+g  
    jp+_@S>  
    K]xa/G(  
    vs j3  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 ,]5Ic.};p  
    &Sp -w?kM  
    总结 1JEnnqu  
    '>(.%@  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 \sA*V%n  
    1.模拟 gf+d!c(/  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 RL[E X5U  
    2.研究 {5|("0[F  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 LG]3hz9^9  
    3.优化 _u}4j9T  
    通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 p#KW$OQ]8  
    4.分析 6/ `.(fL1  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 0L^u2HZYL  
    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。 ~LQ[4h<J !  
    ~ np,_yI  
    参考文献 a8AYcE b  
    [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). u z\0cX_  
    Pj?Dmk~   
    进一步阅读 y]e>E  
    De_C F8  
    进一步阅读 rx:z#"?I  
     获得入门视频 mceG!@t  
    - 介绍光路图 @$eT~ C  
    - 介绍参数运行 [hRU&z;W  
     关于案例的文档 N]YtLa,t  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 9F;S+)H4  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens z{]?h cY  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing ,572n[-q  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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