[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0）
J5p"7bc  
)tHaB,  
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 7uorQfR?  
&3F}6W6A  
^9OUzTF  
1n5(S<T  
简述案例 >T2LEW  
VV4Gjc  
系统详情 '>$EOg"  
 光源 i,A#&YDl  
- 强象散VIS激光二极管 1OLqL
 
 元件 RO;Bl:x4  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） D\w h;r  
- 具有高斯振幅调制的光阑 Pi,QHb`>  
 探测器 \<Sv3xy&O  
- 光线可视化（3D显示） u] :m"LM  
- 波前差探测 Hs?e0Z=N  
- 场分布和相位计算 (&|_quP7O  
- 光束参数（M2值，发散角） -9
!.m  
 模拟/设计 'i;|c  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 XC 7?VE  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： b`yZ|j'ikd  
 分析和优化整形光束质量 ]<(]u#g_d  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 ?Xdak|?i  
BqDKT  
系统说明 9a\nszwa  
Xs&TJ8a  
MV_Srz  
模拟和设计结果 :j|IP)-f  
ES~^M840f  
数值探测器结果 ^-FX  
Ol"3a|  
T=hhoGn  
7Dnp'*H  
&l$Q^g  
总结 |qZko[W}=  
}$MN|s  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 +3s%E{  
1.模拟 M8H5K  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 JN^&S  
2.评估 j!
7`]  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 <YA&Dr3OD  
3.优化 N#lDW~e'  
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。 XwV'Ha  
4.分析 `V)Z)uN{0  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 0 a]/%y3V  
z <mK>$  
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。 yc|VJ2R*  
%WqNiF0-  
详述案例 {t};-q!v$j  
A:(*y 2  
系统参数 #%J5\+ua  
988]}{w  
案例的内容和目标 Oj<S.fi  
dU\%Cq-G)  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 iU6Gp-<M,  
8|E'>+ D_-  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 G=;k=oX(  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 >~`C-K#  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 Kwc6mlw~M  
"[}O"LTQ  
模拟任务：反射光束整形设置 cYXM__  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 Sa19q.~%  
xBu1Ak8w  
uEc<}pV  
L[5=h  
5*[2yKsTi  
2Z20E$Cb
 
规格：像散激光光束 099sN"kf  
[AV4m   
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 8kP3+  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 EUsI%p  
j~j\\Y  
(E]!Z vE  
wP"dZagpj  
~b{Gz6u>  
gm9mg*aM  
规格：柱形抛物面反射镜 r>GZ58i  
                         sB69R:U;  
 有抛物面曲率的圆柱镜 OFj
e+S  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 =@F&o4)r  
 曲率半径等于焦距的两倍 V.wqZ {G  
5BBD.!  
h*ZC*eV>  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） 0ZQ'_g|%  

+2 Af&~T  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 /c):}PJ^#7  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） R *F l8
 
 离轴角决定了截切区域 u1xSp<59C  

9W5onn  
规格：参数概述（12° x 46°光束） |d6T/Uxo  
&~CY]PN.  
   qC'{;ko  
wgd/(8d  
光束整形装置的光路图 Fd*8N8Pi  
86 W0rS[5  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 %4HRW;IU  
 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。 cyJG8f  
%Qk/_ R1  
反射光束整形系统的3D视图 :kfp_o+J  
[ Bl c^C{f  
Xy%p"b<  
KD^N)&k^Kp  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 }jill+]  
 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）。 WOh|U4vt  
&HSq(te  
详述案例 )Wb0u0)_  
aM4k *|H?  
模拟和结果 ``E/m<r:$  
s=42uKz  
结果：3D系统光线扫描分析 qY[xpm  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 } (!EuLL  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 n@G[  
<oz!H[!  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd VE8;sGaJ  
o6//IOZ  
使用参数耦合来设置系统 |g
*XK6  
=Fdg/X1  
I[n^{8gz  
自由参数： .H,xl
e  
 反射镜1后y方向的光束半径 ;t+ub8  
 反射镜2后的光束半径 Afk$?wkL  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） m>SErxU(z  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 |.wEm;Bz  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 B2ec@]uD`  
xZV1k~C  
9Vf1Xz  
xCtmXo  
dXnl'pFS  
*&f$K1p  
-ig6w.%lk  
自由参数： 3N_"rNKD  
 反射镜1后y方向的光束半径 @/k@WhFZ  
 反射镜2后的光束半径 o;?/HE%,[  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 'R_g">B.  
 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。 ~}<DG1!  
p ]d]QMu  
'e6WDC1Am(  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 +a*tO@HG  
<qGu7y"  
{GJ@psG*  
结果：使用GFT+进行光束整形 l<N}!lG|  
nMJ#<'v^!2  
[}&Sxgv  
xNbPsoK  
\<g*8?yFs  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ~s5SZK*  
[p<w._b i  
8Ac:_Zg  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 db6mfxi  
@*sWu_-Y%  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 f%*/c
pA)  
&%-73nYw  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： y99mC$"Ee`  
|iwP:C^\mJ  
mrw=T.  
[Vma^B$7Vj  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd KY~-;0x  
>FkWH7  
结果：评估光束参数 K>{T_){  
s)pbS}L  
9yfJVg  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 87YyDWTn  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 O6OP =K!t:  
}I>tO9M  
Ywwu0.H<  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 15sp|$&`  
 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） >:b Q  
y~\oTJb  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd LSRk7'0  
*Em,*!  
光束质量优化 *I0T{~  
g pOC`=  
1aTB%F  
 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。 %QP0  
 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）。 &oX>*6L  
w.TuoWo>  
结果：光束质量优化 qXwPDq/  
bR)(H%I  
0ik7v<:  
 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。 t)}scf&^x  
^t#&@-'(d  
;4pYK@9w_  
c(~[$)i6  
 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。） ^=-y%kp"  
@8I4[TE  
#n8IZ3+
  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd RtM8yar+sn  
;67x0)kn  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 H
|HYo\@F#  
73\JwOn~  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 [
wzb<"kW  
k5kxQhPf  
+O?KNZ  
 这意味着参数变化是的正态 ]&Rx@&e*  
ys
 kO  
OD!
& .%  
}|8_9Rx0*  
ybKWOp:O  
 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。  UWo]s.  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 ][p>Y>:b-  
:BV6y|J9O^  
yvO{:B8%  
  t!_<~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run )O@]uY  
wG-HF'0L  
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） ia+oX~W!VR  
]z/8KL  
4?q
<e*W  
:x4|X8>  
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。 -^hWM}F  
_ =VqrK7T  
总结 6"&6`f  
}%{LJ}\Px  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 DrY:9[LP  
1.模拟 2Tp1n8FV  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ?Yth0O6?sb  
2.研究 A
y0U=#XP  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9 %I?).5  
3.优化 FWG6uKv  
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!Pq4'd(  
4.分析 biU^[g("  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ?En O"T.  
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。 MS 81sN\d  
2Ay*kmW  
参考文献 m4hg'<<V  
[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). |es?;s'  
E%,^Yvh/  
进一步阅读 &-Gqdnc  
{YAJBIvHV  
进一步阅读 o.!~8mD  
 获得入门视频 &;[Io  
- 介绍光路图 nG'&ZjA  
- 介绍参数运行 c]n1':FT"  
 关于案例的文档 fPR1f~r  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 5A3xVN=  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens qzKdQ&vO  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing Vr`R>S,-
 
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair