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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) @<=#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&,  
    `UK+[`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,$[  
    系统说明 XJ~l5} y ]  
    #*$@_  
    +Cg"2~  
    模拟和设计结果 7QiCZcb\  
    K[ gWXBP  
    e=z_+gVm  
    场(强度)分布                                   优化后
    数值探测器结果 A=C3e4.C  
    rL sK-qQ  
    /+t[,  
    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*$GQ  
    XCIa2Syo  
    系统参数 ki~y@@3I  
    _/ }6  
    案例的内容和目标 yb4tJu$  
    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>/-  
    ;\.JV '  
     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 B8 0odU&  
    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&  
    M 20Bc,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  
    (T|TEt  
     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$zG  
    模拟和结果 %9C`  
    4^DVW*OiI  
    结果:3D系统光线扫描分析 o"p^/'ri  
     首先,应用光线追迹研究光通过光学系统 ryxYcEM0  
     使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :)#hrFp  
    MA\m[h]  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd @Od^k#  
    Wy<[(Pd   
    使用参数耦合来设置系统 T[;; 9z  
    e~{^oM  
    B%tIwUE2  
    自由参数: {L@+(I  
     反射镜1后y方向的光束半径 '>j<yaD'  
     反射镜2后的光束半径 I-b_h5ZD6  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) 'K@-Z]  
     由于功能原理,所有系统参数(距离,焦距,直径)可以由光束参数分析计算。 Hm%g_Mt  
     对于此计算,应用了嵌入的参数耦合功能。 xvU]jl6d  
    KRYcCn  
    &E bI Op  
    Q>.BQ;q]  
    ao#!7F  
    X ZS5B~E '  
    ~>V-*NT8  
    自由参数: /X4yB"J>  
     反射镜1后y方向的光束半径 +TC1nkX  
     反射镜2后的光束半径 8-7dokg>  
     视场角,这决定了离轴取向(这些值保存为全局变量) *E:x E/M!2  
     基于光束发散角和直径(x和y方向)焦点,可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 q-3]jHChh  
    /XcDYMKgh  
    c=6ahX}d  
     如果这个例子评估20个参数,那么返回到光路图(LPD)。 ,c>N}*6h=W  
    4j> fI)FUW  
    )kYOHS  
    结果:使用GFT+进行光束整形 3{"byfO#%  
    g \Wj+el}  
    W wuZ(>|  
    >$\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+  
    $X*mdji  
     不过,场分布几乎是对称的(最好是使用伪色(false colors))。 %Rp8{.t7  
    j{"z4Y4  
     产生的相位是完全平坦的,产生的波前误差: XS?gn.o\  
    o0ZIsrr  
    c<wavvfUo  
    %}q .cV  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd %KtU1A(["  
    \fZiL!E^7  
    结果:评估光束参数 <},1Ncl  
    H}Ucrv:  
    _%y4q%#  
     从生成的整形光束场分布,可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 w u)Wg-dT  
     在这个例子中,我们对光束半径,发散角和M²值感兴趣。 M;+IZr Wkl  
    r}_lxr  
    %,\=s.~1  
     整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 [4*1}}gW%5  
     M²值明显高于1。(与理想高斯光束相比,高M²值是由光束偏离引起的) qI%&ay"/  
    R(k}y,eh.`  
    file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd u%u&F^y  
    Fj1NN  
    光束质量优化 jk*tL8?i  
    ^~$\ 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
     
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