[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） VXR>]HUF  
C~o7X^[R\  
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 ;#vKi0V7  

s'%R  
^eo|P~w g  
PH+S};Uxv  
简述案例 (9Ux{@$o[  
G!>z;5KuS  
系统详情 Kx;eaz:gx  
 光源 57umx`m  
- 强象散VIS激光二极管 0n;< ge&~R  
 元件 uRZZxZ  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） DAcQz4T`  
- 具有高斯振幅调制的光阑 n1ly y0%u  
 探测器 '>cKH$nVC}  
- 光线可视化（3D显示） E\as@pqo\p  
- 波前差探测 3%E }JU?MM  
- 场分布和相位计算 bN]+_ mF  
- 光束参数（M2值，发散角） g#Sl
%Y  
 模拟/设计 5=v}W:^v.  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 c:<005\Bg  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： mH%yGBp_  
 分析和优化整形光束质量 DW5Y@;[  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 d1AioQ9  
NG "C&v  
系统说明 \m(VdE  
*>|gxM8  
YH vLGc%  
模拟和设计结果 >O*IQ[r-  
bM{s T"  
数值探测器结果 fVF2-Rh=  
fZ0M%f  
cq}EZ@ .  
B8f8w)m  
_P0T)-X\(  
总结 ;<&*rnH  
JmxH"7hTE  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 SxOC1+Oy  
1.模拟 ^hc!FD  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 |bTPtrT8  
2.评估 )'l:K.F  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 ~;l@|7wGz  
3.优化 D{GfLib"U  
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。 &"yx<&c}  
4.分析 ''yB5#^w(  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 OLyf8&AU@  
#.rdQ,)<  
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。 X{5vXT\/y  
mk.9OhYY  
详述案例 .+PI}[g  
.nrMfl_  
系统参数 \UPjf]&  
VCV"S>aVf  
案例的内容和目标 6wBx;y |  
S0zD"T  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 u(@$a4z  
.c8g:WB<  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 aOl
T;h  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 my(2;IJ#{  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 mWoAO@}Y  
/)YNs7gR  
模拟任务：反射光束整形设置 J"!vu.[  
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。 ")SFi^]  
m8A#~i .  
VEWi_;=J1  
Fq0i`~L~  
?9!6%]2D  
Nv#t:J9f  
规格：像散激光光束 Z"/p,A9W9|  
h k] N6+@  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 \nXtH}9ZF  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 } df
W%{  
2GP=&K/A  
f86XkECZ;`  
qraSRK5  
&*##bA"!B  
fY{1F   
规格：柱形抛物面反射镜 xcd#&  
                         ?:vv50  
 有抛物面曲率的圆柱镜 t)~"4]{*}D  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Lf16j*}-Q  
 曲率半径等于焦距的两倍 \d6C%S!  
APvDP?  
8L,5Q9 $  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） vx1c,8  
C
Nih6R  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 pV9IHs}  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） p, h9D_  
 离轴角决定了截切区域 >=qf/K+#  
fa-IhB1!K  
规格：参数概述（12° x 46°光束）
xe]y]  
(SWYOMo"  
   Iox
gjUa  
tRs [ YK  
光束整形装置的光路图 Bn^0^J-  
7S-ys+  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 -f3p U:G8  
 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。 Xe
W<B0~  
Tl%`P_J)-S  
反射光束整形系统的3D视图 ^UciW  
IshKH-  
~Y`ldL  
y0Fb_"}  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 Dl<bnx;0  
 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）。 l}a)ZeR1  
V_R@o3kv
;  
详述案例 F0pir(n-  
]%hn`ZJ  
模拟和结果 *M[?bk~~  
z
kt+7,vI  
结果：3D系统光线扫描分析 2L:_rR#w  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 FTX=W
yr  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 mi=Q{>rb  
!F*5M1Kjd  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd q]\:P.x!>
 
viW!,QQ(S  
使用参数耦合来设置系统 <5-[{Q/2z  
cL-[ZvyVX  
f~t:L,\,  
自由参数： `EEL1[:BR  
 反射镜1后y方向的光束半径 TCN8a/@z  
 反射镜2后的光束半径 ?[VM6- &  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 1A?W:'N  
 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。 ~xbe~$$Q@  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Gk. ruQW"  
g%ndvdb m  
,MdV;j~"'  
F<ZYh  
c%^7!FSg  
hjU::m,WX  
}'5MK  
自由参数： 4qphA9i1  
 反射镜1后y方向的光束半径 5/q}`T9i%7  
 反射镜2后的光束半径 fWCo;4<5?  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） aKV$pC<[o  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 jk"`Z<j~  
~t@cO.c  
xVf|G_5$  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 dah[:rP,n{  
\(J8#V  
4ae`pAu  
结果：使用GFT+进行光束整形 ,oORW/0iS  
Z_PNI#h*
 
CHdX;'`*  
~9?cn  
Eou~P h*t  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 gMv.V{vD  
efSM`!%j  
ZWii)0'PV  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 ~{*7"o/  
+ylTGSZS  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 !ds
"9w
 
n?oW< &  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： E0BMv/r8b  
fs|)l$Rd  
_geWE0 E  
BmBj7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Nw:GCf-L  
anuL1fXO  
结果：评估光束参数  ^le<}  
ZkgV_<M|  
=31"fS@  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 sI43@[  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 d]`CxI]  
9 ^o-EC!_  
ImCe K  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 'z );  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） Dw|}9;5:A  
fTzvmC:g7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd "lQ*1.i  
|o,YCzy|5  
光束质量优化 tWo{7)Eb  
@)IjNplYkw  
J%8(kWQ|  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 4pe'06:  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 E"\/M  
M\C"5%2Mu  
结果：光束质量优化 \:R%4w#Jv  
2`.cK 3  
X$%'  
 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。 1m+p;T$  
S(QpM.9*  
z,|r*\dw  
YgKZ#?*  
 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。） YpQ7)_s?  

U -Y03  
<Q$@r?Mu]  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd wU8Mt#D!  
]I-Z]m"  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 0,r}o  
V=)_yIS  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 3WN`y8l  
k-Q%.o  
z+ s6)Ad  
 这意味着参数变化是的正态 hZ[E7=NTQ^  
Yv hA_v  
0fc/wfv<  
c/Qt Ot
 
m_hN*v Py  
 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。 Ok>gh2e[c  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 tc_286'x  
pqUCqo!m\  
cbeLu'DWB.  
wNq;;AJ$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run nv)2!mAh\  
"mX\&%i6\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） *Kyw^DI  
.b\$MZ"(  
vesJEaw7  
rJFc({ 0  
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。 Z -,J)gW  
.tkT<o-u<J  
总结 lW<PoT  
^Y<|F!0  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 r~+\ Y"rM  
1.模拟 GRMiQa  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ~n[d4qV&  
2.研究 *eIJwXE  
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~%K_~Li  
3.优化 v4?x.I  
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。 u4m,'X
R  
4.分析 H1I{/g  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 fKp#\tCc y  
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。 (*1v
\Q  
ng:kA%! Q  
参考文献 yvgrIdEP  
[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 ti  
0~HKiH-  
进一步阅读 6UevpDB  
:}r.  
进一步阅读 SaC d0. h  
 获得入门视频 qud\K+  
- 介绍光路图 ,REJt  
- 介绍参数运行 a,3j,(3  
 关于案例的文档 tyfTU5"x  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Op"M.]#  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens :`E8Z:-R  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing bfA=3S"0  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair