[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） n;C :0  
\?ZB]*Fu  
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 ~&_z2|UXp  
vHc%z$-d  
PfD.:amN7  
oUr66a/[U  
简述案例 AW'0,b`v  
)Y0!~# `  
系统详情 x7w4[QYw  
 光源 rjAn@!|:+  
- 强象散VIS激光二极管 z}9(x.I  
 元件 {n.PF8A5X  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） k[YS8g-Q  
- 具有高斯振幅调制的光阑 "1*:JVG  
 探测器 |?xN\O^#}  
- 光线可视化（3D显示） ?V.cOR`6  
- 波前差探测 ^4hO  
- 场分布和相位计算 O`\;e>!t  
- 光束参数（M2值，发散角） tBWrL{xLe  
 模拟/设计 \<>ih)J@tt  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 b<ZIWfs  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： u8g~
  
 分析和优化整形光束质量 JPUW6e07o  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 2r4Uh1D~  
}W8;=$jr  
系统说明 nYSiS}?S.  
cn3\k
T*  
3m)0z{n  
模拟和设计结果 \fdv]f  
2tEkj=fA-  
数值探测器结果 ,WYPU  
LEf^cM=>  
GPudaF{  
0<@KG8@hI;  
uym*a4J  
总结 1#2 I  
=zPCrEk0  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 vWv"  
1.模拟 a0E)2vt4  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 pRpBhm;iJ  
2.评估 XFpjYwn  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 h"Q8b}$^)  
3.优化 iC~^)-~H=w  
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。 M h}m;NI  
4.分析 ]|ag  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 =v&hWjP  
=BAr .m+"  
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。 AKfDXy  
o[w:1q7  
详述案例 HM1Fz\Sf  
~jk|4`I?T  
系统参数 p)-^;=<B3  
mdg8,n  
案例的内容和目标 ZJJY8k `  
4l'fCZhA}  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 f~R(D0@  
8/cX]J  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 7Q9 w?y~c  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 7S:\"A7  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 P3=G1=47U  
t%)7t9j  
模拟任务：反射光束整形设置 |SSSH  
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。 Hzz %3}E  
pYEMmZ?L  
rXP,\ ]r+  
L`TLgH&?R  
? :%@vM  
3;9^  
规格：像散激光光束 +TL%-On  
JPHL#sKyz  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 >uRI'24  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 Dml;#'IF3  
C.-,^+t;g  
Wvh#:Z  
LonxT&"!D  
Ll't>)  
; DR$iH-F  
规格：柱形抛物面反射镜  8dA~\a  
                         WpP}stam/  
 有抛物面曲率的圆柱镜 oZgjQM$YP  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
H%tdhu\e  
 曲率半径等于焦距的两倍 PFjL1=7I  
'H>^2C iM  
rs[T=CQ  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） M|h3Wt~7  
%sP*=5?vA  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 6d}lw6L  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）  <kqo^  
 离轴角决定了截切区域 tDcT%D {:  
K69'6?#  
规格：参数概述（12° x 46°光束） JH9J5%sp  
Rhs/3O8k  
   bAqA1y3=  
r l%  
光束整形装置的光路图 Zu[su>\  
</zEg3F\  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 p6V0`5@t  
 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。 d7upz]K9g  
"KpGlY?^  
反射光束整形系统的3D视图 /([kh~a  
KZE,bi:~  
J ZS:MFA  
\R_
C&=  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 _`T_">9r  
 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）。 
=:pJ  
6cX
yJW  
详述案例 a1lh-2xX  
q<1~ vA9  
模拟和结果 NXrlk  
rEWb"  
结果：3D系统光线扫描分析 )ez9"# MH'  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 m-, x<bM?
 
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 3]S$ih&A  
)y$(AJx$  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd h:|qC`}  
Fx.=#bVX7  
使用参数耦合来设置系统 57c8xk[.2  
4tBYR9|  
:vbW  
自由参数： e\L8oOk#r  
 反射镜1后y方向的光束半径 ^1.By^ $  
 反射镜2后的光束半径 .ioEIsg  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） F)eelPZ+,  
 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。 5$k:t  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 ;i+jJ4  
&^jXEz;  
L!xi  
1yhD
rpm  
bk[!8-b/a  
;4\;mmLVk  
ww1[rCh\+  
自由参数： K$=zi}J W  
 反射镜1后y方向的光束半径 wibNQ`4k  
 反射镜2后的光束半径 D&y7-/  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 0g8NHkM:2a  
 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。 cr;da)  
es7=%!0  
X&H"51  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 f/?P514h  
ZN0P:==  
!4+<<(B=E  
结果：使用GFT+进行光束整形 RViAwTvY  
v]UwJz3<  
CqC`8fD1  
]`WJOx4  
$F.a><1rY  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 ;O,jUiQ  
}Q+|W=2t  
C0Z=~Q%  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 q) KKvO  
JucY[`|JV  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 _Fg5A7or  
aN3;`~{9  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Aos+dP5h,8  
owv[M6lbD  
jebx40TA3  
Tid aa  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd >9J:Uo1z  
a 1*p*dM#  
结果：评估光束参数 MolgwVd
 
`P
noxm'  
tZo} ;|~'  
 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。 fc>L K7M  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 G3
v5KmT  
alb.g>LNPP  
[2cD:JL  
 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。 ,/unhfs1q  
 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） a8Wwq?@  
f*8DCh!r"  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd %&bY]w  
HxI" 8A  
光束质量优化 TD_Oo-+\  
OZ;*JR:  
cB&:z)i4  
 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。 QS`]  
 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）。 poFg1  
-s/ea~=R  
结果：光束质量优化 e96k{C`j0  
5@W j>:w  
+"VP-s0  
 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。 (7*}-Uy[C  
Gs[XJ 5%`~  
$ME)#(  
1BEHw?dLU  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） vvOV2n.WD  
a[TMDU;(/4  
Z/J y'$x  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd &+R?_Ooibk  
Aiea\jBv  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 WX
0tgXl
 
HpnWoDM  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 KK &?gTa  
qIqM{#' ^  
8\gjST*  
 这意味着参数变化是的正态 cN9t{.m  
%~S&AE-  
xN%K^Tree  
CJI~_3+K  
xkR0  
 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。 @s^-.z  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 L8 @1THY  
wlmRe`R  
$,'*f?d  

-Y;3I00(  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run j <RrLn_  
gPc=2  
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） 7=, ;h  
c[Zje7 @  
`@|$,2[C  
s"?3]P  
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。 9~YMyg(Z  
>yh2Lri  
总结 ,6W>can  
ws^ np  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 C{wEzM:  
1.模拟 BFW&2  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 <b<j=_
3  
2.研究 ;6hOx(>`=  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 vVcob}ZH  
3.优化 H 7 ^/q7  
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。 uRe'%?W  
4.分析 YT8F#t8  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 aFIw=c(nP  
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。 P L+sR3bR  
H7+,*  
参考文献 s(roJbJ_;  
[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). HE_8(Ms;8  
kz7(Z'pw  
进一步阅读 gKCX|cULY  
G9@0@2aY8  
进一步阅读 vSLtFMq^(  
 获得入门视频 pcI uN  
- 介绍光路图 j$5
LN.8J  
- 介绍参数运行 RY*U"G0#w  
 关于案例的文档 7})[lL`\s  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens eQvg7aO;  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 5+ MS^H  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing dcWD(-  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair