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    [技术]反射光束整形系统 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2024-11-12
    光束传输系统(BDS.0005 v1.0) (8H^{2K~  
    uQ8]j.0  
    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 JBU qZ  
    #m8Oy|Y9`  
    \!w7 N :m  
    :;7qup  
    简述案例
    Ge97e/ CY  
    aZBaIl6I  
    系统详情 [2&Fnmjk}X  
    光源 zA+ ^4/M  
    - 强象散VIS激光二极管 =x[`W9.D  
     元件 ;dPLi4=o  
    - 光束准直和整形的反射元件(例如圆柱抛物面镜) Kt`0vwkjvI  
    - 具有高斯振幅调制的光阑 JH?[hb  
     探测器 L[O+9Yh  
    - 光线可视化(3D显示) ,u\M7,a^  
    - 波前差探测 .@[+05Yw  
    - 场分布和相位计算 +,PBhB  
    - 光束参数(M2值,发散角) ){wE)NN  
     模拟/设计 v$,9l+p/  
    - 光线追迹(Ray Tracing:):基本系统预览和波前差计算 ^l iyWl  
    - 几何场追迹+和经典场追迹(Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing): u}ab[$Q5  
     分析和优化整形光束质量 Y<kvJb&1*  
     元件方向的蒙特卡洛公差分析 wk-ziw  
    8E$KR:/:4  
    系统说明 g4-HUc zk  
    1;H(   
    Hi|Oeu  
    模拟和设计结果 . e]!i(5I  
    `aSz"4Wd  
    o3uv"# C  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 P/ug'  
    ?MN?.O9-  
    :uMD$zF'5  
    &d6'$h:kHb  
    ,AM6E63  
    总结 *;4r|# LG  
    *8MU,6  
    实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 M6g!bK2l  
    1.模拟 Dj %jrtT  
    使用光线追迹验证反射光束整形装置。 thUs%F.5?  
    2.评估 H!s &]b  
    应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 H!vvdp?Z  
    3.优化 B8C"i%8V)  
    利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 #V~r@,  
    4.分析  |\,e9U>  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 \:O5,wf2  
    U?@UIhtM|  
    对于复杂的光束整形装置,特别是离轴系统,可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中,根据情况应用不同的模拟引擎。 l tQ:c  
    rK"$@ tc  
    详述案例 O5e9vQH  
    Jzfz y0$  
    系统参数 p+yU!Qj  
    ~>+}(%<,  
    案例的内容和目标 B_@>HZ\&  
    A;{8\e  
    在BDS.0001,BDS.0002,BDS.0003和BDS.0004案例中,研究了折射光束传输系统。 yyBfLPXZ  
    Imi_}NB+  
    )e Ub@Eu  
     目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 6Zkus20  
     之后,研究并优化整形光束的质量。 .dl1sv U  
     另外,探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 qzmY]N+w|  
    R3.tkFZq]  
    模拟任务:反射光束整形设置 {n |Ra[9_  
    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。 @8DA  
    \Mt(9jNK  
    |J~;yO SD  
    szWh#O5=  
    +tlTHK  
    a0y;c@pkO  
    规格:像散激光光束 22(0Jb\_  
    [x,_0-_  
     由激光二极管发出的强像散高斯光束 L?0dZY-"  
     忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 y%3Yr?]  
    |'1[\<MM3  
    xS*f{5Hr8  
    {3`9A7bG  
    1*(^<x+n  
    op[OB=  
    规格:柱形抛物面反射镜
    m#DC;(Pn  
                             <Gs)~T#'  
     有抛物面曲率的圆柱镜  #*?5  
     应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 `2Ff2D ^ ?  
     曲率半径等于焦距的两倍 .:$%3#N$(Y  
    lvk(q\-f  
    fWF\ V[  
    规格:离轴抛物面圆柱镜(楔型) EPdR-dC^wE  
    wcB-)Ra  
     对称抛物面镜区域用于光束的准直 Hz*!c#  
     从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜(楔型) ~@TNVkw  
     离轴角决定了截切区域 |=,V,*"  
    obS|wTG~  
      
    规格:参数概述(12° x 46°光束) i]xyD'0  
    k`kmmb>  
       jjEkz 5  
    \jZvP`.2  
    光束整形装置的光路图 (g4.bbEm  
    j9%=8Dn.<  
    RLecKw&1{3  
     由于VirtualLab的相对坐标系统,则仅需设置z方向的距离。 zziujs:  
     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。 :] {+ 3A  
    EKq9m=Ua@o  
    反射光束整形系统的3D视图 TfVB~"&  
    zVJ wmp^  
    UPUO8W)<Z6  
    4AzS~5S  
    光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 g:O~1jq  
     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)。 >\3=h8zw  
    [ gx<7}[  
    详述案例 /dh w~|  
    e{c%o;m(  
    模拟和结果 jA<v<oV  
    Kh'/Ne?  
    结果:3D系统光线扫描分析 } 3 RqaIY}  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 vR-rCve$P  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 J{\S+O2,*  
    0KU,M+_  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd z(K[i?&  
    h+}`mi  
    使用参数耦合来设置系统 69TQHJ[  
    xG\&QE  
    asmMl9)(`  
    自由参数: d,6 Z  
     反射镜1后y方向的光束半径 & /UcFB  
     反射镜2后的光束半径  3m  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) ?4(uwX p  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 R0, Q`  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 x]XhWScr '  
    thl{IU  
    wT3QS J  
    !7P 1%/  
    ]aXCi"fMs  
    U}_l]gNn  
    c+ Ejah+  
    自由参数: xaAJ>0IM  
     反射镜1后y方向的光束半径 MjQKcL4%7  
     反射镜2后的光束半径 HBV~`0O$  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) sq*d?<:3  
     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。 |wQ|h$|  
    !2>gC"$nv  
    ePP-&V"`"  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 VfAIx]Fa  
    n*{e0,gp`  
    v|<Dc8i+  
    结果:使用GFT+进行光束整形 i/NY86A  
    +^1H tI|y  
    YFy5>*W  
    2_ <  
    b6'%nR*f  
     现在,利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 A d=NJhzl  
    4?jXbC k~x  
    (|Y[5O)  
     由于离轴设置,光线分布显示出轻微的不对称形状。 JGHQ_AI  
    M%/ML=eLi  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 q]`XUGC  
    "AS;\-Jk  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: ]Z&2  
    &JVe -.  
    7ZI!$J|  
    bP`yLz  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd /9/=]  
    5YQ4]/h  
    结果:评估光束参数 N^Xb_jg;J  
    Q Bc\=}  
    aF;Q SI  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 o;7!$v>uK  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 RM|<(kq  
    wv # 1s3  
    !rlN|HB  
     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。 Mmq{]q~At  
     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) CD:@OI  
    n"Ot'1yr  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd Z f4Xt Yn  
    )wQR2$x~  
    光束质量优化 qh Rs5QXL  
    w4<RV:Vmt  
    MW=2GhD=  
     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。 4(B{-cK  
     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)。
    jFZJ #'CNS  
    Y?=+A4v  
    结果:光束质量优化 FZ DC?  
    ~vy_~|6s  
    hR Y *WL  
     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。 3ybEQp9  
    P PZxH}J.  
    x>8=CiUE  
    MM"{ehd{^a  
     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。) H1N_  
    iqig~fjK ~  
    UxzZr%>s  
    file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd $ &M"Ji  
    }Y~o =3-  
    反射镜方向的蒙特卡洛公差 D:sQHJ. y  
    q %i2' yE  
     对于公差,在随机模式下我们使用参数运行特性。 [~,~ e   
    -)(HG)3  
    m/r4f279  
     这意味着参数变化是的正态 2u4aCfIx  
    /v 7U~i5  
    O:"gJ4D  
    eVL'Ao&Ho  
    a$.(Zl  
     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。 }@_F( B  
    这意味着,波前对对齐误差很敏感。 t5G@M&d4Eo  
    } :P/eY  
    <ppM\$  
    tJy6\~  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run *D! $gfa  
    w+(bkqz]  
    第一个随机公差的典型强度分布:(相应的均方根波前差:1.08λ,40.4λ,140λ) % zHsh  
    ?u{y[pI6  
    lPFT)>(+@  
    SE&J)Sj]  
    由于波前差和因此校准的偏差更大,M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 SxcNr5F   
    [H$rdh[+  
    总结 8*V^DM3n-  
    vG`R.  
    实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 U@ x5cw:  
    1.模拟 y((I2g1rv  
    通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 w?|gJ*B"  
    2.研究 l'n"iQ!G  
    为了计算场分布和评价光束参数,应用几何场追迹+(GFT+)引擎。 jk,: IG  
    3.优化 w0(A7L:L  
    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。 *6=2UJcJ  
    4.分析 ^noKk6Aaa  
    通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 pwU l&hwte  
    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。 WQv%57+  
    g+|1khS)  
    参考文献 NCbn<ojb  
    [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). TC;2K,.#k  
    tYK 5?d  
    进一步阅读 ,r!_4|\  
    H z&a~  
    进一步阅读 {{w5F2b((%  
     获得入门视频 >u?pq6;  
    - 介绍光路图 2'UWPZgE  
    - 介绍参数运行 PMC5qQ%x  
     关于案例的文档 *J,VvO 9  
    - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens sr1`/  
    - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens :1NF#-2\f  
    - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing J24<X9b  
    - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
     
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