[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） z+wegF  
Y*#TfWv:  
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 Zj ^e8u=T  
"ixea- 2  
Zn)o@'{}{  
Ujvm|ml  
简述案例 LqJV  
j%]sym  
系统详情 wEI? 9  
 光源 FdEUZ[IT`{  
- 强象散VIS激光二极管 Q\xDAOEL  
 元件 V7gL*,3>=  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） awQGu,<N  
- 具有高斯振幅调制的光阑 HP<a'|r  
 探测器 |{ZdAr.;  
- 光线可视化（3D显示） j%Uoigi  
- 波前差探测 l>s@&%;Mg  
- 场分布和相位计算 a[}?!G-Wt|  
- 光束参数（M2值，发散角） I*cb\eU8Y  
 模拟/设计 g@/}SJh/>  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 RK$(  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： BAi0w{  
 分析和优化整形光束质量 PX/^*  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 {o*$|4q4  
^vxNS[C`;  
系统说明 Uy)pE
Eu  
+eLL)uk  
j*f\Z!EeZ  
模拟和设计结果 r[7*1'.p  
P;'ZdZ(SLu  
数值探测器结果 itiSZL,  
8+Gwv SDU  
SsfC m C  
[4dX[  
sP%b?6  
总结 P39oHW  
JdWav!PYm  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 eHd7fhW5  
1.模拟 pbWjTI$  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 ZIh)D[n  
2.评估 /?T
R_>  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 $ZB`4!JxG  
3.优化 TpYh)=;k  
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。 `Nz`5}8.?  
4.分析 NB.'>Sar  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 \&Bdi6xAy  
}&6:0l$4!  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 ,\RR@~u'  
;/+U.I%z  
详述案例 QX=x^(M$m  
-m ;n}ECg  
系统参数 # M!1W5#  
,]n~j-
X  
案例的内容和目标 pNmWBp|ER  
`YMd0*  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 a <F2]H=J  
+.|RH  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 "oF)u1_?  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 Y"m(hs$  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 6mIK[Qnp  
Jm< uE]9  
模拟任务：反射光束整形设置 NN5Ejr,  
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 $`w
 
puMbB9)  
\W= qqE]  
"{t]~urLd  
L$kB(Brw  
H?xYS| n  
规格：像散激光光束 cKoW5e|u  
Z`ww[Tbv~  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 [9NrPm3d  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ?`O^
;f  
27$,D XD  
&,{YfAxQ`  
O.xtY@'"  
I:UDEoQo  
iy]?j$B$  
规格：柱形抛物面反射镜 {0-rnSjC  
                         m&'!^{av  
 有抛物面曲率的圆柱镜 *-Vr=e<8   
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 GCfVH?Vx  
 曲率半径等于焦距的两倍 wQ@:0GJH  
8~TKiR
5  
@';.$  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） gxAy{ t  
X:g#&e_  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 G|8>Q3D  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） y=EVpd  
 离轴角决定了截切区域 F*>#Xr~/  
KNj~7aTp  
规格：参数概述（12° x 46°光束） K,%CE ].  
8]R{5RGy  
   #Q*V9kvU/H  
?A*!rW:l;  
光束整形装置的光路图 3T4HX|rC  
9 Qa_3+.B  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 4i^WE;|s  
 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。 PB8g4-?p6  
}N$f=:i
I  
反射光束整形系统的3D视图 )58~2v
R  
|d*a~T0  
=6Gn? /{  
MtN!Xx  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 a
JA(UN45  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 N0vECk  
!@N?0@$/  
详述案例 FOMJRq  
W\;|mEEu  
模拟和结果 cY kb3(  
%b4tyX:N0  
结果：3D系统光线扫描分析 J|%bRLX@>  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 BzO,(bd!PI  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 /wt7KL-I  
/S1/ZI  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ^m&P0  
8UqH"^9.Q7  
使用参数耦合来设置系统 .jk A'i@  
i.`n^R;N  
83gWA>Odh  
自由参数： [A"=!e$<  
 反射镜1后y方向的光束半径 e6J^J&`|4  
 反射镜2后的光束半径 k,k>w#&  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） U,;796h  
 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。 \]5I atli  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 $j<KXR  
yRXWd*9  
ZILJXX4  
#9!7-!4pW  
g<
.Is V  
_6ck@  
Y|Gp\  
自由参数： Yv@n$W`:  
 反射镜1后y方向的光束半径 -C3[:g  
 反射镜2后的光束半径 u;c W
IRG  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） yGAFQ|+  
 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。 )Se$N6u-  
*vuI'EbM  
N!3Tg564j  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 (=Kv1 HaD  
,I x>.^|  
&0-oi Y  
结果：使用GFT+进行光束整形 f(~N+2}  
%<(d%&~  
t&J A1|q  
M\{\WyeX  
!|H,g wqU  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 W&%,XwkQ  
vszm9Qf
  
f5Gn!xF  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 4\ Xaou2V[  
Mh5> hD  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 :=ek~s.UV  
rz k;Q@1  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： F=1 #qo<?  
;(Ug]U%3_  
;<m`mb4x[  
d!0rq4v7  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd % _E?3  
prz COw  
结果：评估光束参数 -8Mb~Hfl0  
3c3;8
h$k  
n
{sk  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 4Zwbu  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 e7xBi!I)~  
k)S1Zs~G  
3J &Ros  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 DlE,aYB  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） __.MS6"N  
C:5-h(#  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd qfE0J;e   
u*)/e9C  
光束质量优化 }" vxYB!h3  
*0!p_Hco  
J~]@#=,v  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 =N\; ?eF(  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 L4m Vk  
xS/W}-dPv  
结果：光束质量优化 -GPJ,S V>  
iiIns.V  
:QGo -,6-  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 +?o!"SJ  
4F#H$`:[  
@`4T6eL5  
[-_{3qq<e  
 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。） m.Zy$SDj(  
_90D4kGU  
w>^(w<~Y  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd K!&W}_@l  
BA2"GJvfIA  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 HdqB B
  
{k_\1t(/  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 &`l\Q\_[@  
[:cD  
bt)C+|i  
 这意味着参数变化是的正态 : "|/  
*O~y6|U?  
<.n,:ir  
OA&'T*)-A6  
F~ 5,-atDM  
 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。 vu*e*b$}  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 x:MwM?  
5:IDl1f5  
F%|P#CaB  
*zrGrk:l  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run -K=.A*}  
O>]i?  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） FAdTm#tgW]  
0>BxS9?w  
.t1:;H b  
3)EJws!  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 }S uj=oFp  
h$'6."I  
总结 TUnAsE/J&  
DlUKhbo$g  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 #kM|!U=  
1.模拟 Ow/,pC >V  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 ^^"zjl*^  
2.研究 BrE#.g Jq  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 4)w,gp  
3.优化  \nEMj,)  
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。 tVAo o-%  
4.分析 q!:dZES  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 PG63{  
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。 %Z_O\zRqy)  
[WR"#y  
参考文献 @\?ubF  
[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). D0jV}oz  
Q0R05*  
进一步阅读  W94:%  
#4bT8kq  
进一步阅读 9-T<gYl  
 获得入门视频 2X\Pw  
- 介绍光路图 "++\6H<  
- 介绍参数运行 t,fec>.  
 关于案例的文档 )%@7tx  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens P_A@`eU0  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens .b]sQ'  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing i`gM> q&  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair