[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） DUH DFG  
s|:1z"q  
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 rC]k'p2x  
,t;US.s([.  
*0?@/2&  
r&Qa;-4Pl  
简述案例 j:>0XP  
^fyue~9u  
系统详情 34[TM3L].  
 光源 p@Cas  
- 强象散VIS激光二极管 ?Z4%u8Krvz  
 元件 +V9xKhR;x  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） @/ nGc9h  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Ml;` *;  
 探测器 yGSZ;BDW:K  
- 光线可视化（3D显示） @$t\yBSK  
- 波前差探测 ]zCD1*)  
- 场分布和相位计算 fBh/$   
- 光束参数（M2值，发散角） D%LYQ  
 模拟/设计 wr=KAsH<  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 wf1p/bpf  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： w El-  
 分析和优化整形光束质量 +A^|aQ  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 {IvA 5^  
F|R7hqf  
系统说明 ,c0LRO  
uFb 9Ic]`  
U 8p %MFD  
模拟和设计结果 IbJl/N%o  
j_~mP>el)  
数值探测器结果 `W" ;4A  
I}5e{jBB  
9$U4x|n  
F u^j- Io  
T9!NuKfur  
总结 E/wxX#]\  
hW/Ve'x[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 5o>*a>27,A  
1.模拟 R".$x{{  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 -^(KGu&L&u  
2.评估 =
au!rda  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 *}';q`u}  
3.优化 9Li
&0E  
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。 l?rLad
vc  
4.分析 Rm79mh9  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 m
k^,{D  
\=
[j9'N>  
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。 Xdl dUK[  
z$}9f*W}B  
详述案例 4[JF.O6}  
%.]#3tW  
系统参数 5GgH6  
^k$Bx_{  
案例的内容和目标 /V`SJ"  
N{&Lo}6F  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 /':64#'  
($/l_F  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 )bL(\~0g~  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 jpS$5Ct  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 zS|4@t\__  
-K(d]-yv  
模拟任务：反射光束整形设置 d=8.cQL:E  
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。 ;Ss!OFK  
QRrAyRf[  
s^IC]sW\%  
dT% eq7=  
.-mIU.Nwi  

.boBb<  
规格：像散激光光束 8 l)K3;q_  
WLwi  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 oYA"8ei=  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 D.%%D%AdB  
^ <`SUBI  
MN5}}@  
K@xMPB8in  
xgj'um  
Mp!1xx  
规格：柱形抛物面反射镜 u0sN[<  
                         $ta JVVF  
 有抛物面曲率的圆柱镜 2RF3pIFrm  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 2|i
1}  
 曲率半径等于焦距的两倍 p{W Amly  
Y3FFi M[s~  
L;?F^RK{U  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 6^V( C;5!  
dY0W=,X$7T  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 <t
a{)}IN^  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 6SE^+@jR  
 离轴角决定了截切区域 a73VDQr I  
{jQLr7'  
规格：参数概述（12° x 46°光束） u,`3_I^  
}fkdv6mz  
   .|g@#XIwe#  
?u:mscb  
光束整形装置的光路图 &Ejhw3Nw  
ohyq/u+y~A  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 3fpaTue|x  
 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。 x7^VU5w#  
l<4P">M!.  
反射光束整形系统的3D视图 k:j_:C&.  
l
59 N0G  
$uFvZ?w&  
~}d\sQF.  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ml^=y~J[  
 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）。 Bsg^[~jWJu  
x\
~ <8o  
详述案例 YT'V/8US  
8%YyxoCH  
模拟和结果 pV(Mh[ }P  
O/ItN5B ;  
结果：3D系统光线扫描分析 A&B|n!;b  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 i%<NKE;v7m  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 /AOGn?Z3  
{{_v.d~1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd RFFbS{
U*  
&nVekE:!  
使用参数耦合来设置系统 'q~
<ZO  
"K9[P:nw  
jck(cc=R  
自由参数： u*5}c7)uId  
 反射镜1后y方向的光束半径 -:'%YHxX  
 反射镜2后的光束半径 Hf1b&8&:K  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） ??P\v0E  
 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。 :*[mvF  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 5Uy*^C7M^  
.{?;#Cdn  
h@1/  
J@<f*  
fr04n
l  
{:_*P TVk  
,?qJAV~>  
自由参数： 9ei'o
Z  
 反射镜1后y方向的光束半径 T]1.":   
 反射镜2后的光束半径 <vV"abk  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） $0P16ZlPC  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 # c1LOz  
Tmu2G/yi  
'~f*O0_  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 HOH5_E>d  
+/[Rvh5WZ  
Evg#sPu\  
结果：使用GFT+进行光束整形 3*j1v:x`  
ThW9=kzQW  
L>WxAeyu1K  
Q"eqql<h#  
G.@K#a9  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 [N%InsA9k  
cp~6\F;c  
*&]8rm{  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 CKFr9bT{  
,|?#+O{  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 i,Z-UA|f=T  
#hs&)6Sf  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： G)b:UJa"  
hv>Xr=RE  
QqW N7y_9  
5&L*'k
V@  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd `}uM91;  
8p}z~\J{a:  
结果：评估光束参数 U61 LMH  
5\}Y=Pa  
Zs3xoIW7Ai  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 8::y5Yv]  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 )>Z@')Uk:  
?*kB>U9e  
K%t&aRjS  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 SJLs3iz_)  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） n[y^S3}%;  
I~p*~mLh'  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 2Q%M2Ua  
fMW=ss^fu-  
光束质量优化 }z\t}lven  
=c#mR" 1  
fo/sA9  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 2Z<S^9O9  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 0v1~#KCm  
pK_zq  
结果：光束质量优化 ;"9Ks.  
Rw[!J
q  
_Fv6S}~Q  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 :U'n0\  
nDckT+eJ  
XknNb{. r  
/J!hKK^k  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） }waZGJLN  
Xf{p>-+DL  
TI"Ki$jC  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd egfd=z=2un  
PV=sqLM~  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 _:Y
|a>  
QP!;Gwqr  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 OzRo  
|@R/JGB^  
R&P^rrC@B5  
 这意味着参数变化是的正态 9M|#X1r{%{  
3y:),;|5  
[6.<#_~{  
*(i%\  
KqaEHL  
 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。 r"x}=# b!  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 i \lr KA  
@&Yl'&pn-R  
n36@&q+B&  
P^lRJB<$Q  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run PIQd=%?'  
F<2gM#jLB  
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） L/bvM?B^  
d=\\ik8  
7s:c
g  
OMYbCy^  
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。 }J\7IsM&  
B4m34)EOE  
总结 @fVz *  
!|ic{1!_  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7eZwpg?K  
1.模拟 0.(7R,-  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 P{2ED1T\  
2.研究 w5Ucj*A\  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 XwU1CejP0  
3.优化 {K/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。 < r b5'  
4.分析 Q5Mn
=  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 <<YH4}wZ  
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。 Ac +fL  
~"R;p}5"  
参考文献 O#vI
n}  
[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). "Vwk&~B%  
*t
DxwD7  
进一步阅读 -Zg@#H  
?i~mt'O  
进一步阅读 $KGRpI  
 获得入门视频 UM+g8J{$*;  
- 介绍光路图 10_@'N  
- 介绍参数运行  /zir$  
 关于案例的文档 `
n e9&+  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Y#U0g|UDn  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens kH62#[J)yM  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing 7V~ gqum  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair