[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） H<3I 5Kgt  
RSo&(Uv  
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
xt*u4%  
db6mfxi  
@*sWu_-Y%  
AnT3M.>ek  
简述案例 _8E/)M  
KVJ_E
!i  
系统详情 ? YG)I;(  
 光源 G.UI|r/Kz  
- 强象散VIS激光二极管 & \f{E\A#  
 元件 V5rST +  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） %VnbmoO  
- 具有高斯振幅调制的光阑
)Eo)t>  
 探测器 ZMq6/G*fD  
- 光线可视化（3D显示） 0L/n?bf  
- 波前差探测 " W|%~h
 
- 场分布和相位计算 vuYSVI2=H  
- 光束参数（M2值，发散角） V 0rZz  
 模拟/设计 =&
:Y6XP  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 R47\Y  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： L+q/){Dd(  
 分析和优化整形光束质量 :eCU/BC4  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 cMOyo<F#^=  
sQ\8>[]   
系统说明 9B9(8PVG  
j}C}:\-fY  
p}~qf  
模拟和设计结果 -jiG7OL  
\*<d{gZ~  
数值探测器结果 X)% A6M  
(}2~<   
BSVx
N  
v'3J.?N  
7K98#;a)5  
总结 :n-]>Q>5=k  
Uw7h=UQh  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 >o=-$gz`  
1.模拟 n~V ]Z  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 XD2v*l|Po  
2.评估 Qr{E[6  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 M"94#.dKK  
3.优化 _+E5T*dk  
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。 qO|R^De  
4.分析 VB*oGG  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 3zc
U%*  
W*I(f]8:y`  
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。 Iepsz  
V6,H}k  
详述案例 Ev}C<zk*  
 #^A*  
系统参数 @W"KVPd  
]Yn_}Bq  
案例的内容和目标 j=r P:#  
LHo3 Niy.  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ",KCCis  
9eQxit7  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 %#xaA'? [  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 (bH`x]h#  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 S;286[oq@  
/^#;d UB  
模拟任务：反射光束整形设置 YOmM=X+'H  
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。 :x4|X8>  

_v> }_S  
Evg_q>  
%2{%Obp'  
hFy;ffs.  
#W.#Hjpp  
规格：像散激光光束 e9U
9Uu[  
[R^iF  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 U"^kH|  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 9 %I?).5  
%|q>pin2  
=k^Y?.  
[`"ZjkR_J  
Sp;G'*g  
r\-uJ~8N  
规格：柱形抛物面反射镜 n%.7h3  
                         9Hb6nm  
 有抛物面曲率的圆柱镜 n%o5kVx0  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 8"8t-E#?  
 曲率半径等于焦距的两倍 PuA9X[=  
!W}9no  
)I^7)x  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） YSic-6z0Ms  
7`zHX&-W  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 -~v2BN/  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） '}Z~JYa0  
 离轴角决定了截切区域 Tz8PSk1[  
IID-k  
规格：参数概述（12° x 46°光束） qzKdQ&vO  
Vr`R>S,-
 
   [ 0KlC1=  
Gi?/C&1T  
光束整形装置的光路图 %\dz m-d(C  
Vk K  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 [S9K6%w_!  
 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。 4~Vx3gEV:  
t\k$};qJ  
反射光束整形系统的3D视图 8<pzb}xK  
pz\ +U7  
_/-jX  
6;\I))"[  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ZojIR\F^  
 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）。 =S+wCN  
diL+:H  
详述案例 >~[c|ffyo/  
P2BWuhF  
模拟和结果 N`5,\TR2f  
s%nUaWp~  
结果：3D系统光线扫描分析 =[cS0Sy
  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ?(Dq?-.  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 -:Da&V  
Rg\z<wPBG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd eg\v0Y!rI  
Ce9|=Jx!  
使用参数耦合来设置系统 &:9cAIe]H  
4sF"6+%5d  
MDhRR*CBh  
自由参数： zZPuha8  
 反射镜1后y方向的光束半径 DCIxRPw
 
 反射镜2后的光束半径 %Gz0^[+  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） nm5cpnNl  
 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。 42{Ew8  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 \o}xF@sM5  
V:In>u$QJ!  
\qdHX  
:DrWq{4  
@5=oeOg36  
I5 o)_nc  
+7D|4  
自由参数： @r/#-?W  
 反射镜1后y方向的光束半径 A!s`[2 Z  
 反射镜2后的光束半径 q0i(
i.h  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） Vwg
|K|  
 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。 "bF
Tk/  
T! Y@`Ox  
5{|7$VqPF  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 >Ea8G,  
fxgPhnaC>  
gp};D  
结果：使用GFT+进行光束整形 0bceI  
>BIMi^  
 $UMFNjL  
|%F=po>w  
B8.P
n  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 B6u/mo<  
?]|\4]zV  
Y}t \4 di  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 *g:4e3Iy  
*W4m3Lq  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 "cE7 5  
q.KG^=10  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： fM]+SMZy  
`YFtL  
3EV;LH L  
zvYq@Mhr  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 0LPig[  
y6ECdVF  
结果：评估光束参数 y?[ v=j*U  
.f*4T4eR-  
yCd-9zb=  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 Eza`Z` ^el  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 p#ol*m5wE  
?Nup1!D  
aXQnZ+2e^R  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 <":;+Ng+  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） H
bj,[$Jb  
-E^vLB)O  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd b(*!$EB  
;;_,~pI?k  
光束质量优化 6CV* Z\b  
nGpXI\K  
{'XggI%  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 lW+\j3?Z$  
 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）。 ZOft.P O  
&v$rn#l  
结果：光束质量优化 8>trS=;n  
K$&s=Hm  
6%'.A]"  
 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。 V@B__`y7  
 |XT)QK1  
bV(Y`g  
2QD3&Q9  
 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。） 0C =3dnp6  
p31NIf`  
LIS)(
X<]?  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Hc!  mB  
!9u|fnC9  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 E=jNi  

,p4&g)o  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 DwaBdN[!7  
LM$W*  
)T/0S$@  
 这意味着参数变化是的正态 xO$lsZPG  
`e(c^z#  
t#Z-mv:(  
w&$`cD  
j.C`U(n}`  
 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。 J5di[nu  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 bP8Sj16q  
~rlB'8j(  
a;rdQ>  
W}--p fG  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run Ozw;(fDaU  
CUO+9X-<8  
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） ]Uw<$!$-]s  
z{
[xze-f  
?p9VO.^5  
:?k>HQe  
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。 :H7D~ n  
L; T8?+x  
总结 u6M.'  
o4`hY/<t  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 ,oN8HpGs  
1.模拟 FYOD Upn  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 N96jJk  
2.研究 
!,l9@eJQ  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 3;)>Fs;  
3.优化 B.wYHNNV  
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。 yW+yg{Gg:  
4.分析 oeKHqP wg  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 wHsYF`  
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。 8MK>)P o)  
$k|g"9  
参考文献 iDN;m`a  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). l/BLUl~z  
aiQ>xen5C5  
进一步阅读 _,zA ^*b  
sJ#4(r`  
进一步阅读 ,/YF-L$(t  
 获得入门视频 {n(b{ibl  
- 介绍光路图 vbkI^+=,YY  
- 介绍参数运行 -mC0+}h  
 关于案例的文档 h"Xg;(K  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 7q?9Tj3  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens nnCGg+l  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing QBtnx[  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair