[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） )$F6  
gTD%4V  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 buc*rtHfA  
9/H^t*
5t  
dw99FA6  
,whM22Af~{  
简述案例 T~|PU{  
c8\g"T  
系统详情 l~{T#Q  
 光源 5W5pRd>Q  
- 强象散VIS激光二极管 C=EhY+5  
 元件 TP^\e_k  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） )w@y(;WJ  
- 具有高斯振幅调制的光阑 x"!#_0TT}  
 探测器 %9.bu|`KK  
- 光线可视化（3D显示） Y?e3Bx7*b  
- 波前差探测 uTUa4^]*  
- 场分布和相位计算 nu(eLUU  
- 光束参数（M2值，发散角） rZ 6@b  
 模拟/设计 LVWxd}0  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 ;
?j~8  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： B8>FCF&}E  
 分析和优化整形光束质量 +E `06
3  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 YFAn
lqC  
3XBp6`  
系统说明 Xe> ~H4I9  
%pM :{Z  
eKS:7:X  
模拟和设计结果 R+x%r&L5F  
&a~L_`\'  
数值探测器结果 ?n73J wH  
9EjjkJ%)q  
e4?<GT  
L5TNsLx(  
64;oB_  
总结 dUUPhk0  
Q=MCMe  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 dcM+ylB  
1.模拟 ByC1I.B`  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 hE9'F(87a  
2.评估 8o%E&Jg:  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 }NR`
81  
3.优化 B44]NsYks~  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 \qRjXadj  
4.分析 k_-vT  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 /{49I,  
-aTg>Q|g&  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 `*|LI  
.[]{
 Q  
详述案例 s}z(|IrH  
z2"2tFK  
系统参数 Fwg#d[:u  
k QB 1=c  
案例的内容和目标 *#3voJjV(  
(mu{~@Hw  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 V;/ XG}M  
G}Q}H*  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ~x76{.gT  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 oC^z_AtZ  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 7r:nMPX  
QYFN:XZ  
模拟任务：反射光束整形设置 1e+h9|hGYw  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 S
"I#>^  
(UbR%A|v;  
9F-ViDI.  
tr#)iZ\  
9RbGa Y&  
rPrEEWS0)  
规格：像散激光光束 i2`.#YJ&v  
6i*p +S?U"  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 x`/m>~_  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 ,.1&Ff
)S  
38zR\@'j]4  
6x`\ J2x  
Q{(,/}kA-  
=6L:I
x  
=rs=8Ty?S  
规格：柱形抛物面反射镜 !>"INmz  
                         o3(|FN  
 有抛物面曲率的圆柱镜 :7 s#5b  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 PW~cqo B71  
 曲率半径等于焦距的两倍 n?7h
p%}  
KU8Cl>5  
uv_P{%TK  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） W! 5Blo  
K!$\REs  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 O(:u(U7e  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） c@"i?  
 离轴角决定了截切区域 3XYIbXnk  
x1 R!  
规格：参数概述（12° x 46°光束） o i,
g  
v/4X[6(  
   B7x"ef  
H/
B^N,oi  
光束整形装置的光路图 Z7k1fv:S^  
cfO^CC  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ~-o^eI4_  
 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。 =Un6|]  
;Wp`th!F  
反射光束整形系统的3D视图 }I'>r(K  
qH}62DP3  
r4z}yt+  
ix_$Ok  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 #L
)4|  
 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。 E<fwl1<88  
&_Xv:?  
详述案例 IhFw{=2*  
- KoA[
UJ  
模拟和结果 G~mB=]  
} cH"lppX  
结果：3D系统光线扫描分析 II f >z_m  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 hPCSLJ  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 "}y3@ M^  
/=O+/)l`  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd EJSgTtp2  
tMs|UC  
使用参数耦合来设置系统 SieV%T0t1  
B39PDJ]hu  
~wd?-$;070  
自由参数： c)P%O  
 反射镜1后y方向的光束半径 }E\+e!'!2  
 反射镜2后的光束半径 B?zS_Ue  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /hj9Q!  
 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。 xQ(KmP2hl  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 d .l
u  
OM&\M
o  
vp}>#&  
]ge^J3az$u  
1k70>RQ&69  
Dg2#Gv0B  
-|iA!w#31  
自由参数： G^eFS;  
 反射镜1后y方向的光束半径 CSg5i&A=  
 反射镜2后的光束半径 VL,?91qwe  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） K=^_Ndz  
 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。 pU)3*9?cIl  
o dQ&0d  
9!/1F !  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 Ss#{K;  
%:8q7PN|  
+^3L~?  
结果：使用GFT+进行光束整形 0:(dl@I)@  
,EJ [I^  
Jhq5G"  
>C d&K9H  
[T?6~^m=  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 )-Sl/G  
@42lpreT  
\?]HqPibx  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 {m*J95[   
>|
&OcU  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 $;j6*,H  
VDI S`E  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： .Y Frb+6  
zyQEz#O  
z&/ o  
ve/6-J!5Y.  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd )k<~}wvQ0  
+OuG!3+w  
结果：评估光束参数 IHX#BY>  
G5@fqh6ws  
4Fc1'  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 vWU4ZBT8G  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 U=?"j-wN  
vT<wd
#  
4]Nr$FY  
 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。 zpQ/E  
 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） x/q$RcDOm  
-(,6w?  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd YY>Uf1}*9  
OL+40J  
光束质量优化 NGD2z.  
+P;D}1B#I?  
L|Gk}n  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 ialk6i![  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 &WV 9%fI  
i'LTKj  
结果：光束质量优化 +}Wo=R
}  
FQ ^^6Rl  
%l P   
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 ?mUu(D:7D  
.T>}O0L"  
2gI_*fG1  
C3h!?
5  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） rKO*A7vE  
gQt@xNO  
P`v~L;f  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd 9 3I9`!e  
fmN)~-DV9`  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 u1Yp5jp^K  
l[0P*(I,  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 8"rX;5 vP  
7VBw@Rh  
tB?S0;yXjd  
 这意味着参数变化是的正态 wx'Tv  
_cs9
R%  
*F&&rsb  
]>i0;RME  
}iloX#  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 %dR./{txT  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 #al^Uqd  
oU5mrS.7M!  
LX&P]{qKS  
?LFSR  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run bj^m<}   
LP_F"?4  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） o/ 5Fg>d  
1"6k5wrIA  
[63;8l
}  
pa73`Ca]  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 >Tx;<G  
=^M t#h."  
总结 JOq<lb=  
aH"c0A  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 .AW*7Pp`f  
1.模拟 :_zKUv]  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 M.Ik%nN#K0  
2.研究 ,]"u!,yHb  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 g3rFJc  
3.优化 {`zF{AW8q  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 ~` hcgCi%  
4.分析 t"Hrn3w  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 4BtdN-T}b  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 wQ^a2$Z  
::`wx@  
参考文献 mjHY-lK  
[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). 2ow\d b  
N|LVLsK  
进一步阅读 B6oAW,3  
lukV G2wDL  
进一步阅读 QD~`UJe>  
 获得入门视频 Q[KR,k  
- 介绍光路图 _O<{H'4NO  
- 介绍参数运行 |i8dI)b  
 关于案例的文档 9U*vnLB  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Oc`fQqYy  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens 4UkLvL1x  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing BI]t}7  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair