[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） QTM+WD  
dDAdZxd  
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 Xig%Q~oMp  
DtyT8kr  
PE+N5n2Tl  
Z$Qlr:7  
简述案例 H~&9xtuHN  
F^KoEWj[H  
系统详情 2
L ~U^  
 光源 UIbVtJ  
- 强象散VIS激光二极管 p}N'>+@=  
 元件 y
%p&g  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） n8J';F =P  
- 具有高斯振幅调制的光阑 vP?"MG  
 探测器 +n1}({7m  
- 光线可视化（3D显示） 4TUe*F@ ML  
- 波前差探测 ;<MHDmD  
- 场分布和相位计算 aZ#c_Q#gZ  
- 光束参数（M2值，发散角） <"aPoGda  
 模拟/设计 sg{>-KHM  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ;\(wJ{u?Y  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： -,3Ka:  
 分析和优化整形光束质量 no^I![_M  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 (~,Q-w"  
'^}l|(  
系统说明 ;w[|IRa  
d(42ob.Tr  
|\Jpjm)?  
模拟和设计结果 
LR'F/.Dx  
7t
eg*M{  
数值探测器结果 ^BSMlKyB  
e>y"V;Mj  
7J7uHl`yq`  
W/xb[w9v  
0|HD(d`a  
总结 *_3+ DF  
(Kv[~W7lb  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Jc:*X4-'  
1.模拟 "VB-=. A  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 5k<qJ9  
2.评估 ^~8l|d_  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 @R(6w{h9  
3.优化 \} P}H  
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。 ``K.4sG  
4.分析 \KDOI7  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 &-s!ko4z  
}=az6cLE2  
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。 D 0\  
i{ eDV  
详述案例 3QZw  
0:Ak4L6k  
系统参数 )!e-5O49r  
DpoRR`  
案例的内容和目标 N:Q}Lil  
,=R->~ J  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 4Ts5*_  
SP97Q-  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 (]0ZxWF  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 O5LB&s  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 /t(dhz&xN  
y`!3Z} 7  
模拟任务：反射光束整形设置 A#f@0W:  
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。 Pv+[N{  
39BGwKXb  
Y_xPr%%A  
pEw &i  
^kzw/.I{  
3QL'uk  
规格：像散激光光束 3;>|*(cO  
l{E+j%  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 /t01z~_  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 =k2In_  
=ugxPgn  
BOoLs(p  
6&`.C/"2  
~ubGx  
)?:V5UO\  
规格：柱形抛物面反射镜 GBGGV#_q'}  
                         bN8GRK )  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Q+U}  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 o>';-} E  
 曲率半径等于焦距的两倍 ,9`sC8w|  
;%"UZ~]f  
kz@@/DD/9  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） _}vD?/$L  
+3(1QgYM%  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 0-oR { {  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） I;S[Ft8
d  
 离轴角决定了截切区域 tq8B)<(]  
$21+
6  
规格：参数概述（12° x 46°光束） .>Gq/[c0|  
/o*r[g7<  
   .#2YJ~  
#Wey)DI  
光束整形装置的光路图 ~ou*' w@  
&~29%Ns  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 eva-?+n\q  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 Bmm#5X@*  
TartV3;`  
反射光束整形系统的3D视图 !?`5r)K  
;H9d.D8  
-n?}L#4%8  
> nDx)!I  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 t|jX%s=  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 iov55jT~l@  
p6$ QTx  
详述案例 O['gp~P"  
6.kX~$K  
模拟和结果 Iw(deD  
a;|C51GH  
结果：3D系统光线扫描分析 12M

&qqV  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 :vz_f$=  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 8zP{Cmm  
O4ciD1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd -9Wx;u4]o  
rR@ t5  
使用参数耦合来设置系统 sPYG?P(l  
(Hb i+IHV  
j(F
&*aH78  
自由参数： aL$m  
 反射镜1后y方向的光束半径 $`W.9  
 反射镜2后的光束半径 ,R5NKWo  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） @C{IgV  
 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。 rlqn39  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 uvz}qH@j/Q  
W2G`
K+p  
L']EYK5  
QijEb  
E}sjl  
\Q7Nz2X  
b&f;p}C24  
自由参数： !Sx}~XB<  
 反射镜1后y方向的光束半径 H)(@A W+-  
 反射镜2后的光束半径 -Qgu6Ty  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） jFf2( AR  
 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。 ; {$9Sc $  
.<}(J#vC  
OiH tobM  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 p1 > D  
12n5{'H
2%  

*9M 5'  
结果：使用GFT+进行光束整形 j38>,9u,  
gO_{(\w*  
%p6"Sg*  
H RJz  
Ymkk"y.w  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 r\Nf309~  
3CK4a,]Dm  
Oaf!\z}  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 zc>/1>?M  
e@"1W  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 ,R]hNjs-{  
-Zc 6_]F|  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： iD+Q\l;%  
F#>?i}  
8mI eW  
.q$HL t  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd UhQ[|c  
YzJ\< tkp  
结果：评估光束参数 h^h,4H\r  
flDe*F^  
OBaG'lrZy  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 ;M}'\.  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 :c3}J<Z  
 F* "  
u~FXO[b  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 0PO'9#  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） ?JO x9;`  
Sd/?xyF1(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd m|
!R/,>S4  
&.D3f"  
光束质量优化 yo]!Zn  
m"*j J.MX  
Hf!o6 o  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 +>mbBu!7  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 fQ c%a1'  
m?bd6'&FR  
结果：光束质量优化 7WK^eW"y8  
\o3)\ e]o  
3`[f<XaL  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 yx?Z&9z <  
SQx%CcW9d  
Kcv7C{-/  
ep`WYR|B  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） cr
Hd$~q,  
[mX/]31  
.v;$sst5y  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd $/^DY&  
^]:w5\DG  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 %&m/e?@%I  
C5oslP/@  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 N"Y)  
u:#+R_0#97  
Y/cnj n  
 这意味着参数变化是的正态 G?$|aQ0j  
ParOWs~W/  
88(h`RGMh  
c ;_ T  
s&:LY"[`  
 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。 tSX<^VER7  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 Pqiw[+a$  
L-z37kG^  
c"`o V! m  
2@K D '^(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run `B6~KZ  
e~C5{XEE  
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） 9}p>='  
g-`HKoKe  
faQ}J%a  
j\l9|vpp  
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。 V5w00s5?%  
K%AbM#o<  
总结 YjaEKM8*  
[>+R|;ln  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 VN!`@
Ci/  
1.模拟 Hl`S\  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 PwP;+R};|  
2.研究 K;,zE6WD$$  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 4q sIJJ[.  
3.优化 DM {r<?V  
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!qV!:  
4.分析 gc``z9@Xg
 
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 `x=W)o }  
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。 "f^s*I  
K.3)m]dCl  
参考文献 $
HVus=D"  
[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). \Tq !(]o^  
&+V6mH9m@  
进一步阅读 mS?.xu  
\Tf[% Kt x  
进一步阅读 G.v zz-yG  
 获得入门视频 MmUtBT  
- 介绍光路图 1k-YeQNe  
- 介绍参数运行 l2&cwjc  
 关于案例的文档 I5EKS0MQ!  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens j8Nl'"  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens i-1lppI  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing [:M:6JJ  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair