[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） yA74Rxl*6  
^xBF$ua37)  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 Kbdjd p  
=.*+c\  
~M>EB6  
V l,V  
简述案例 }"V$li  
L<GF1I)  
系统详情 .V4w+:i  
 光源 o~ v   
- 强象散VIS激光二极管 (W=J3?hn  
 元件 2;82*0Y%  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 'dkKBLsx
 
- 具有高斯振幅调制的光阑 k^x[(gw  
 探测器 1c$<z
~  
- 光线可视化（3D显示） Q9Y$x{R&  
- 波前差探测 ;q8tOvQ  
- 场分布和相位计算 G`a,(<kT;  
- 光束参数（M2值，发散角） W.B>"u  
 模拟/设计 P|:*OM p  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Aqc Cb[1r  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： GT -(r+u  
 分析和优化整形光束质量 qIO<\Yl  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 'aq9]D_k  
CY"iP,nHl  
系统说明
U}6FB =  
6m=FWw3y  
5tSR2gG#K,  
模拟和设计结果 AGH7z  
d]kP@flOV  
数值探测器结果 -zzM!1@F  
=p1aF/1$I  
^KKU@ab9  
c*5y8k  
8 |@WuD  
总结 >.
tP7=  

9JG
9;[  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 [f_4%Now  
1.模拟 Hy?+p{{G  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Fj0a+r,h!  
2.评估
B@:11,.7  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 YTQom!O  
3.优化 4yk!T  
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。 nE~HcxE/  
4.分析 m]Sv>|  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 6I)1[tU  
_cWz9 ;  
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。 X5(S+;v"^  
x6d0y
J <  
详述案例 <@Lw '  
Z[(V0/[]  
系统参数 &oA p[]  
P3due|4M  
案例的内容和目标 ?=UIx24W  
C< :F<[H  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 LC!ZeW35  
z3RlD"F1  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 l~Em2@c  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 v}$s,j3NO  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 _li\b-  
E^RPK{zO  
模拟任务：反射光束整形设置 V4('}Q!  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 ;w^-3 U7:  
zF&>1y.$  
7c:5Ey  
L5"|RI}  
=<_ei|ME  
";)SA,Z  
规格：像散激光光束 D92#&,KD  
w|"cf{$^x  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 A[,[j?wC  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }]qx "  
5y}kI  
pB3dx#l  
1I'ep\`"X  
4_#yl9+  
`&)khxT/  
规格：柱形抛物面反射镜
\Ty%E<  
                         rC(-dJkV  
 有抛物面曲率的圆柱镜 P5:X7[  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 U9om}WKO  
 曲率半径等于焦距的两倍 jY]hMQ/H  
WHV]H  
IT`r&;5  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） VW7 ?{EL7  
$ }u,uI  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 E&?z-,-o@  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） (z[|\6O  
 离轴角决定了截切区域 %-Z0OzWe  
nly`\0C  
规格：参数概述（12° x 46°光束） zLG5m]G4D  
(IbT5  
   V9v80e {n4  
Eua\N<!aai  
光束整形装置的光路图 =xs{Ov=  
{y{&tzZ  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 p'2ZDd=v  
 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。 ]LvpYRU$P  
]M"l-A  
反射光束整形系统的3D视图 qlT'gUt=H  
;rSpM  
NFc@Kz<H  
:v_H;UU  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 6J|Ee1Ez  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 MDfE(cn2q  
G
<1awi  
详述案例 1U"Fk3  
BF*]l8p  
模拟和结果 Ksp!xFk  
Y.O/~af  
结果：3D系统光线扫描分析 49o5"M(  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 rb+&]  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Kvu0Av-7  
RH,1U3?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd "z `&xB  
&yKUf  
使用参数耦合来设置系统 Rt$Q*`u   
E(i<3U"4h[  
,0^:q)_  
自由参数： '_
z#}P<  
 反射镜1后y方向的光束半径 LB<,(dyh  
 反射镜2后的光束半径 XYbc1+C  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） HvWnPh1l  
 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。 EwSE;R -  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Ea%}VZ&[  
ZJotg*I  
JW!SrM xF  
F
e(qf>E  
I("J$  
fJ[(zjk  
3P1OyB
 
自由参数： Pv.z~~lY  
 反射镜1后y方向的光束半径 [.}-nAN  
 反射镜2后的光束半径 LbGyD;#_  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Q3SwW  
 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。 'F'v/G~
F  
UR~9*`Z ,  
Z8??+d=  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Qh)QdW4  
e[t+pnRh  
b469  
结果：使用GFT+进行光束整形 lNSB "S  
ER:)Fk>_  
kcd~`+C  
tA+ c  
v)(tB7&`=  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 IrU}%ZVV  
hSmu"a,S  
i%7b)t[y  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 Y-%S,91O  
8=^o2&  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 X0X!:gX  
A&i   
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： * %p6+D-C  
=N-,.{`  
i[b?W$]7  
!$'s?rnh  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd Aj06"ep  
s9 '*Vm  
结果：评估光束参数 RHo|&.B;+  
9,|&+G$  
y%CaaK=V3  
 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。 oI9Jp`  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Ws[[Me,=  
C[$uf  
DXAA[hUjF  
 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。 Hh=D:kE  
 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） `F:PWG`  
{q2H_H
  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ;|v6^2H"  
YcS}ug7  
光束质量优化 (o,&P9  
D/_=rAl1  
1!. CfQi  
 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。 w$*t.Q*  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 'z\K0  
^+:_S9qst  
结果：光束质量优化 )B@veso{  
/ey[cm2#[s  
K#g)t/SZ  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 !7SZZz  
pmAir:  
-`6O(he  
)J+vmY~&  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） zzfwI@4  
*B(na+  
vkan+~H  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd V
)\|I8"  
@9|sNS  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 28M!G~|  
&*Eyw s  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 'j];tO6GfC  
'sI=*c  
Y7)YJI  
 这意味着参数变化是的正态 >G<AyS&z*  
VmrW\rH@  
@Nb&f<+gi  
Qni
kgV  
j3F[C:-zY  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 +`Bm  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 8}m]XO  
b9HE #*d,  
@=)_P
G  
D.|h0gU  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run &;7\/m*W1  
( B$;'U<  
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） 6sl*Ko[  
]SpUD  
]J)WcM:  
pdsjX)O+f  
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。 Gk2\B]
{  
uD_|/(  
总结 ,dKcxp~[  
uYiM~^0  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 f+Nq?GvwBQ  
1.模拟 68R[Lc9q5  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ]c8lZO>  
2.研究 AEm?g$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。 +r9:n(VP  
3.优化 vBQ|h  
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。 D %~s  
4.分析 ~^=QBwDW8N  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 P5Ms X~mT  
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。 LOi5 ^Um|  
YSk,kU  
参考文献 d}%GHvOi  
[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). IZe
Wswz  
y!fV+S,  
进一步阅读 qR!SwG44+  
SZH,I&8  
进一步阅读 T<~NB5&f  
 获得入门视频 I(ds]E ;_E  
- 介绍光路图 XX~~SvSM  
- 介绍参数运行 [2.uwn]i  
 关于案例的文档 ~:Dr]kt  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens U$6N-q  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens ZeF PwW  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing l,HMm|oU  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair