[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） svmb~n&x6  
!K(  
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 DP),~8  
q~}oU5  
OdFF)-K>~  
)pl5nu#<  
简述案例 j;`pAN('  
q'8*bu_  
系统详情 > '=QBW  
 光源 cjL)M=pIS  
- 强象散VIS激光二极管 R%
szN.cI  
 元件 [e` |<  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） t}k:wzZ@  
- 具有高斯振幅调制的光阑 S9!KI)  
 探测器 %/uLyCUZ  
- 光线可视化（3D显示） #HgNwM  
- 波前差探测 [ iTP:8  
- 场分布和相位计算 2L&c91=wE  
- 光束参数（M2值，发散角） aM $2lR])J  
 模拟/设计 =p4n@C  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 F:m6Mf7L  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： rx9*/Q0F  
 分析和优化整形光束质量 oH w!~c7  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 >h8m)Q  
hM]Z T5;<  
系统说明 &j:e<{@  
MZ}0.KmaZ  
zd5=W"Y;]  
模拟和设计结果 2FuV%\p  
i!2k f  
数值探测器结果 ~+1mH  
XnP?hw%  
T!]rdN!  
=J1V?x=l@  
= zmxki  
总结 KNmU2-%l  
_6fy'%J=U  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 4tkT\.  
1.模拟 KD A8x W  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 HK :K~h  
2.评估 /!
0&b?  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 -m}'I8  
3.优化 @K
!JE w\  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 </;e$fh`  
4.分析 ~TH4='4W3  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 d2eXN3"  
iYBc4'X  
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。 8;pY-j #  
s/hgWW$  
详述案例 R{c~jjd  
I8!>7`L  
系统参数 ,G0"T~  
6MM\nIU)/  
案例的内容和目标 P@@MQ[u?!.  
)!0}<_2  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 zV}:~;w  
>rlUV"8jY;  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 60|PVsmDm  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 1Z ~C3)T=  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 'GezIIaH  
]0T*#U/P  
模拟任务：反射光束整形设置 _yAY5TIv  
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。 B](R(x>L  
9]+zZP_#  
_LZ(HTX~  
OB
9E30  
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RI<K  
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p  
规格：像散激光光束 ,ASNa^7/>  
eV!(a8  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 564L.^$@|  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 47(_5PFb#  
vWmp?m  
b;D  
B~]6[Z  
I
)yaR+l  
3PvxU|*F  
规格：柱形抛物面反射镜 tXA?[ S  
                         Q4 &P\V  
 有抛物面曲率的圆柱镜 :ILpf+`yY  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 ym5@SBqIx  
 曲率半径等于焦距的两倍 ;76+J)  
9b >+ehjB  
(z8ZCyq7r[  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） KWDH 35  
P !f{U;B  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 %r.OV_04  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） S-mpob)  
 离轴角决定了截切区域 BegO\0%+  
z*.G0DFw  
规格：参数概述（12° x 46°光束） ZRYlm$C  
a$?d_BX  
   V+D5<nICr  
.n+ ;&5  
光束整形装置的光路图 VDOC>  
rb@[Edj  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Jc?zX8>Ae:  
 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。 =Pn"nkpML  
9mk@\Gqqm  
反射光束整形系统的3D视图
O)V;na  
G*EF_N.G0  
2He R1m<  
E4o{Z+C  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 b]?5r)GK  
 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）。 {hN\=_6*EW  
/"="y'Wx  
详述案例 N`7OJ)l  
zQ:nL*X'Z"  
模拟和结果 H(K!{k  
*YH!L{y  
结果：3D系统光线扫描分析 HOu$14g  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 g&$5!ifgi  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 H0tu3Pqk  
!21G$[H  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd c}$>UhLe  
=Bc{0p*  
使用参数耦合来设置系统 G6{PrV#  
rD$5]%Y  
c
Xt&k  
自由参数： !nL94:8U  
 反射镜1后y方向的光束半径 TDfloDxA  
 反射镜2后的光束半径 v -)<nox  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） i@6g9\x+  
 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。 &S
*{a  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 cM9>V2:P  
U) xeta+  
< ~CY?  
uL7}JQ,  
Ux?G:LLz  
0Y* "RbG  
K!(WcoA&2i  
自由参数： 20$Tky_  
 反射镜1后y方向的光束半径 gO*Gf2AG  
 反射镜2后的光束半径 dk1q9Tx  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 65@GXn[W_  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 Pl|I{l*o(`  
ER-Xd9R  
'bZw-t!M@  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 LjGLi>kI~  
&<#1G u_  
_"D J|j  
结果：使用GFT+进行光束整形 OAo03KW  
kz1Z K  
wp8-(E^  
tMU10=d  
B (h`~pb  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 aH%tD!%,o  
[`h,Ti!m<  
zN9@.!?X2  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 0V8G9Gj  
vm*9xs  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 *3RD\.jPX  
H.n|zGQTB  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Tf$>^L  
u-n$%yDS  
#0*I|gfV  
p8F$vx4,  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd v(sS$2J|}  
# 6?2 2Os  
结果：评估光束参数 N/0Q`cQ-  
#Sg/  
YP"%z6N@v  
 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。 &,XPMT  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 eon(C|S7eK  
DVs$3RL  
hI<$lEB  
 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。 ;F,6]LH!  
 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） A1zV5-E/  
@*T8>  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd [daR)C  
D 5Z7?Y  
光束质量优化 S +73 /Vs  
|SJ%Myy  
Y'6P ~C;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。 ONcS
,oHW  
 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）。 2qj0iRH#N<  
JKXIxw>q  
结果：光束质量优化 sh<JB`^$(?  
HwMe^
e;  
1*@Q~f:Uk  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 k8.,id  
[.G~5%974  
T5-'|+  
jI}{0LW&F&  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） _{i-.
;K  
5FNf)F   
q=BAYZ\`  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd q*J-ii  
79lG~BGE  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 t&bE/i_T  
'(($dT  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 9JC8OSjJ  
T:j!a{_|  
CBx5:}t  
 这意味着参数变化是的正态 UB;~Rf(.  
Zf\It<zT5  
9VTE?,  
oP<E)  
2-wvL&pi)  
 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。 g5&,l  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 <J1$s_^`  
ws}>swR,  
MdNV3:[\  
BtWm ZaKi  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run kObgo
MT<[  
o|a]Q  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） QNm.8c$  
TH}
+'m  
P\|i<Ds_M  
laFF/g;sRC  
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。
myY@Wp  
Uw_z9ZL  
总结 h5#V,$  
.l&<-l;UQ  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 Ne,u\q3f  
1.模拟 p>]2o\["  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 W>7o ec  
2.研究 Vt,"5c  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 >*mLbp"  
3.优化 HV6'0_R0  
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。 _\xd]~ELj  
4.分析 =G2A Ufn  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 h|'T'l&z  
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。 vV9q5Bj:  
SA$1rqU=  
参考文献 'xp&)gL  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). >;@hA*<  
9
Ic~F^  
进一步阅读 w,FOq?j^k  
@oL<Ioh  
进一步阅读 X[c8P7  
 获得入门视频 bMw)>4  
- 介绍光路图 PUViTb  
- 介绍参数运行 `5Qo*qx  
 关于案例的文档 3$`qy|=zO  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens pb5'5X+  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens sj@'C@oK  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing #zcnc$x\  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair