[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） @<=#i  
Hc%\9{zH  
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 9y*!W  
JJ0 CM:xe  
F\rSYjMyk  
JW[\"`x!  
简述案例 Ur(o&,  
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K+[`E  
系统详情 hb8XBBKR  
 光源 =hOa 0X=  
- 强象散VIS激光二极管 WN/#9]` P  
 元件 R<HZC;x  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 51ebE`  
- 具有高斯振幅调制的光阑 si_HN{  
 探测器 s)8M? |[`I  
- 光线可视化（3D显示） l1Q+hz5"*U  
- 波前差探测 5@+Ei25  
- 场分布和相位计算 pNQkKDbL+  
- 光束参数（M2值，发散角） ,HkhKbQ  
 模拟/设计 o=# [^Zv  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ~*
c=  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： tB=D&L3  
 分析和优化整形光束质量 O)JUY*&I5  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 %N>NOk)  
"HfU,$[  
系统说明 XJ~l5}y ]  
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+
Cg"2~  
模拟和设计结果 7QiCZcb\  
K[gWXBP  
数值探测器结果 A=C3e4.C  
rL sK-qQ  
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G0 /vn9&  
;Fem<p)V  
总结 5 t`ap  
@IY?DO  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 &f<1=2dm  
1.模拟 RL Zf{Q>  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 Te@6N\g  
2.评估 
J1p75c%  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 jc.
JX
_/  
3.优化 WmjzKCl  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 k\#-6evT  
4.分析 ?5v5:U(A  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 )|x%o(n  
:-\ yy  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 ivX37,B\bS  
@fH&(@  
详述案例 Dp*$GQ  
XCIa2
Syo  
系统参数 ki~y@@
3I  
_/ }6  
案例的内容和目标 yb4tJu$  
VHT@s7u0"  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 &u1g7# #  
)Bn>/-  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 CC>fm1#i\  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 uB<F.!3  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 WTD49_px  
ljJz#+H2_  
模拟任务：反射光束整形设置 xeHb89GnoQ  
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。 ytve1<.Ff  
rFq@]t3q  
Y <Znv%M  
crNjI`%tw  
R@<_Hb;Aeb  
q^N0abzgP  
规格：像散激光光束
B80odU&  
B8UZ9I$n  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 Itr7lv'5xx  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 !rXcGj(k  
*F szGn<  
P*SCHe'  
?cO8'4 bq  
NYjS  
!b7'>b'J<1  
规格：柱形抛物面反射镜 R#
/?AD&  
                         c3V]'~  
 有抛物面曲率的圆柱镜 Cfr<D3&,]  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 EDHg'q  
 曲率半径等于焦距的两倍 `.>k)=F&  
M20Bc,VI  
}
(ma__Ao  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） $,KP]~?  
7<3U?]0  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 2Io6s'  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） $7UoL,N>
 
 离轴角决定了截切区域 /^'Bgnez  
G'O/JM  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 5pM&h~M
 
\L ]   
   `S\zqF<  
~!
ZmF(:  
光束整形装置的光路图 cq,v1Y<  
rBD(2M  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ym|NT0_0  
 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。 FjZc#\^9  
|DE%SVZB  
反射光束整形系统的3D视图 SOp=~

z  
dn
ZzA  
V uG?B{  
)N"Ew0U  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 yB,{#nM>8  
 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）。 8K0X[-hs8  
g@~!kh,TH  
详述案例 ebN(05ZV  
'qL5$zG  
模拟和结果 %9C`  
4^DVW*OiI  
结果：3D系统光线扫描分析 o"p^/'ri  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ryxYcEM0  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :)#hrFp  

MA\m[h]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @Od^k#  
Wy<[(Pd   
使用参数耦合来设置系统 T[;;9z  
e~{^oM  
B%tIwUE2  
自由参数： {L@+(I  
 反射镜1后y方向的光束半径 '>j<yaD'  
 反射镜2后的光束半径 I-b_h5ZD6  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 'K@-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。 Hm%g_Mt  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 xvU]jl6d  
KRYcCn  
&E bI Op  
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Q;q]  
ao#!7F  
XZS5B~E '  
~>V-*NT8  
自由参数： /X4yB"J>  
 反射镜1后y方向的光束半径 +TC1nkX  
 反射镜2后的光束半径 8-7dokg>  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） *E:x E/M!2  
 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。 q-3]jHChh  
/XcDYMKgh  
c=6ahX}d  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ,c>N}*6h=W  
4j>fI)FUW  
)kYOHS  
结果：使用GFT+进行光束整形 3{"byfO#%  
g\Wj+el}  
WwuZ(>|  
>$\Bu]{1  
F|9+ +)  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 v*SAI]{#~  
C.~j'5N  
x?"#gK`3;  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 e}A&
V+  
$X*mdji  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 %Rp8{.t7  
j{"z4Y4  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： XS?gn.o\
 
o0ZIsrr  
c<wavvfUo  
%}q.cV  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %KtU1A(["  
\fZiL!E^7  
结果：评估光束参数 <},1Ncl  
H}Ucrv:  
_%y4q%#  
 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。 wu)Wg-dT  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 M;+IZr Wkl  
r}_lxr  
%,\=s.~1  
 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。 [4*1}}gW%5  
 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） qI%&ay"/  
R(k}y,eh.`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd u%u&F^y  
Fj1NN  
光束质量优化 jk*tL8?i  
^~$\ g]  
lCJ6Ur;  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 i?>tgmu.  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 3J~0O2  
,2L$G&?  
结果：光束质量优化 %MZP)k,&U  
.oqIZ\iik
 
\'Ssn(s  
 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。 d"E^SBO&  
v4rW2F:X  
]kD"&&HV  
LY 0]l$  
 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。） -)v@jlg02  
_ \D"E>oM  
nirDMw[  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd O^Q,-=tA\  
.@#A|fgv  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 OcmRZ  
` qUX.  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 %Jp|z? [/  
! zL1;d  
h|D0z_f  
 这意味着参数变化是的正态 f>2MI4nMG  
u5B:^.:p  
/@"Y^  
5'KA'>@  
Vi*e@IP/  
 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。 -TO\'^][X  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 [;A[.&6  
<lE?,jl  
!4(zp;WY^  
=-"c*^$]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run dY(;]sxFr  
jQ\zGJ3  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） j$Ab>}g]  
zmI]cD@G  
k^\pU\J  
i#/]KsSp  
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。 - +>1r  
:|+Qe e  
总结
S >yLqPp  
$q$7^r@
 
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
JH8}Ru%Z  
1.模拟 `=UWqb(K_  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 GZip\S4Y  
2.研究 _oG&OJ@  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 FAsFjRS  
3.优化 W,XTF  
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。 Fv74bC%  
4.分析 wE]K~y!`  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 ,m_WR7!$E  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 99xEm  
CVNj-&vj  
参考文献 S35~Cp  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). \xv;sl$f  
e:'?*BYVg3  
进一步阅读 U8.7>ENnP&  
H@bf'guA|B  
进一步阅读 F$BbYf2i  
 获得入门视频 i|`dWOVb  
- 介绍光路图 N@ \&1I`c$  
- 介绍参数运行 qz?mh4Oh  
 关于案例的文档 -m *Sq  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens AN!s{7V3  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 7%f&M>/  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing zk-.u}RBFG  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair