[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） ~Z\:Nx  
'%NglC[J  
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 Yd^@Ei9
 
.|UQ)J?s  
)BP*|URc  
%Tm*^  
简述案例 jwZ,_CK  
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系统详情 .fA*WQ!lb  
 光源 W'lqNOX[v  
- 强象散VIS激光二极管 zzqJeIS  
 元件 }Mcb\+[  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） "LMj,qZ1!  
- 具有高斯振幅调制的光阑 V$^jlWdR  
 探测器 \/A.j|by,>  
- 光线可视化（3D显示） pfA6?tP`  
- 波前差探测 T
CtZ2 <'  
- 场分布和相位计算 qNp1<QO0  
- 光束参数（M2值，发散角） 9Em#Ela  
 模拟/设计 rqdwQ  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 o2 14V\  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： |c_qq Bd  
 分析和优化整形光束质量 {T){!UVp!  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 / HTY>b  
2-&EkF4p'  
系统说明 xmW~R*^  
v3tJtb^'!  
?6#won  
模拟和设计结果 Gr"CHz/  
D
#ddx  
数值探测器结果 .n-#A  
$6hPTc<C  
1<@SMcj>  
eL!41_QI  
!40>LpL[  
总结 ~E<2gMKjO  
s\ IKSoE  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 nla6QlFYn*  
1.模拟 e~'`x38  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 my=f}%k=  
2.评估 R%E7 |NAG  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 e|~MJu+1  
3.优化 Ucj?$=  
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。 d_RgKdR )k  
4.分析 5of3&  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 " \$^j#o  
>ZA=
9v  
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。 p6VD*PT$&  
8%@|/  
详述案例 C*9X;+S0J  
"tK%]c d-  
系统参数 En5oi
 
azcPeAe  
案例的内容和目标 5~Y`ikwxL  
f0<zK!  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 /@os*c|je  
}Q7y tE  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 5pO|^Gj1  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 |"H 2'L$  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 1^iBS  
*O?c~UJhhV  
模拟任务：反射光束整形设置 )P$(]{  
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。 `i7r]  
8v:{BHX  
$YYWpeW '  
~%{2Z_t$  
"4j~2{{F  
W
J7|0qb  
规格：像散激光光束 HpwMm^  
|<%!9Z  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 1uF$$E6[  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 }D/+YG  
jDzQw>TX  
voWH.[n^_  
Tt;F-  
Lu.zc='\  
gN&i&%*!  
规格：柱形抛物面反射镜 eH&F gmU  
                         yNu_>!Cp5  
 有抛物面曲率的圆柱镜 *zfgO pK  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 P rt} 01$  
 曲率半径等于焦距的两倍 UD I{4+z  
!,4ag1  
sFU< PgV  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） tDByOml8Ix  
4=PjS<Lu8  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直  Et>#&Nw8  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 3? {AGJ1  
 离轴角决定了截切区域 -(VJ,)8t2  
.Po"qoGy  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 8\"<t/_ W  
D0. )%  
   *MF9_V)8V  
_=v#"l  
光束整形装置的光路图 t0)1;aBZ  
H`EhsYYK  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ?vXgHDs^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。 _0/unJl`  
PK*Wu<<  
反射光束整形系统的3D视图 q*!R4yE;C  
`y8pwWo-o  
:uL<UD,vu3  
i,Ct AbMx  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。  tm1=  
 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）。 +ikSa8)*i  
?HEqv$n  
详述案例 $ {yct  
fHt\KP  
模拟和结果 PK\ZRl  
X1o",,N^M  
结果：3D系统光线扫描分析 ;p`1Y<d-O  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 3i^X9[.  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 >CB-a :  
6F\ 6,E  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd }~FX!F#oU  
M!&Hn,22  
使用参数耦合来设置系统 ]4:QqdV  
tr<~:&H4T  
fI.|QD*$b  
自由参数： rYUIFPN  
 反射镜1后y方向的光束半径 hA=uoe\  
 反射镜2后的光束半径 jP@ @<dt  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） +NlnK6T/  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 ~(kEGEF  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Nc[@QC{  
~id6^#&>  
"ubp`7%67  
Ds1h18  
lu=a e<M  
^F^g(|(K  
;0DoZ  
自由参数： lyn%r  
 反射镜1后y方向的光束半径 @@d_F<Ym[  
 反射镜2后的光束半径 Kda'N$|`  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） 6<&~R3dQ  
 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。 *d._H1zT  
Hv6h7-  
h nydH-;cz  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ?sfq
g gi  
:!gNOR6Lh  
/t5)&  
结果：使用GFT+进行光束整形 |Xt G9A>  

bWSN]]e1#  
AD?zBg Zu  
%m&6'Rpfk  
~nZcA^b#DQ  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 c*KE3:  
*s6x  
Y6{^cZ!=  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 4o>y9  
bY_'B5$.^2  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 7x)Pt@c  
Okq,p=D6  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： =v2|QuS$  
^PG
"  
+!lDAkW0  
k 9i W1  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd =<]`'15"V  
OqtGKda  
结果：评估光束参数 J4bP(=w!  
Cqd\n#d/~  
*%xbn8  
 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。 %=**cvVy  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 b{0a/&&1O  
C-M_:kQ[U  
%H{pU:[5*  
 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。 x*OdMr\n8?  
 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） *_D/_Rp7  
H cmW  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd }:
8}i;#M  
EN m%(G$  
光束质量优化 5lsslE+:J  
-K|1w'E  

Ow0>qzTg  
 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。 fPeS;  
 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）。 vF\>;pcT  
RELNWr  
结果：光束质量优化 ^\}MG!l  
"FHJ_$!  
l!ow\ZuQBF  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 Avx`  
h<9vm[.  
[?K>s>it  
mTe3%( LD  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） 8}n<3_  
%q5dV<X'c  
]B>76?2W  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd #j2kT  
?G`m;S  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 ]_C"A  
RV~t%Sw^  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 8
LV6E5Q  
YsmRY=3  
@=kgK[t 9  
 这意味着参数变化是的正态 v3"6'.f;bY  
il^;2`]&  
u X,n[u  
FJn-cR.n  
{ ^o.f  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 ]>
M\|,wh  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 |WB-Ng  
&S4*x|-C&  
T"xJY#)}  
|z)s9B;:#i  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run |d0ZB_ci  
[!uzXVS3  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） {aAd (~YZ  
]i {yJ)i  
]bds~OY5 U  
88HqP!m%P:  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 q>_<\|?%x  
q7 PCMe  
总结 ;6/WjUDw<|  
WW:G( \`  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .wNXvnWr  
1.模拟 ZLjAhd)  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 bK:U:vpYm  
2.研究 _?-oPb  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 L{1sYR%s\  
3.优化 2E }vuw=c  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 5G355 ,}E  
4.分析 N3"JouP  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 1$b@C-B@g  
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。 iC3z5_g*@  
tWn dAM(U7  
参考文献 }AS?q?4?  
[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). Zv!`R($  
?^voA.Bv<  
进一步阅读 #*bmwb*i  
q-!H7o  
进一步阅读 0&s6PS%  
 获得入门视频 |gE1P/%k  
- 介绍光路图 X&9:^$m  
- 介绍参数运行 1(DiV#epG  
 关于案例的文档 Mj;V.Y  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens \Kf\%Q  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens *}\M!u{J  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing %u!=<yn'  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair