[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） bpaS(nBy  
+wpQ$)\  
二极管激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形 BIn7<.&  
rP<S =eb  
CY?19Ak-xd  
%I^y@2A4`  
简述案例 j-n-2:Q  
3x6@::s~  
系统详情 #*v:.0%  
 光源 =JM !`[  
- 强象散VIS激光二极管 |Ev VS  
 元件 Eq82?+9  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） M!Wjfq ^~  
- 具有高斯振幅调制的光阑 [}1+=Ub  
 探测器 G@+AB*Eu  
- 光线可视化（3D显示） F
8En)#  
- 波前差探测  cq,8^o&  
- 场分布和相位计算 e<E]8GAF  
- 光束参数（M2值，发散角） 5a^b{=#Y  
 模拟/设计 G8hq;W4@]/  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 +H `FC  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： =(\xe| Q  
 分析和优化整形光束质量 Yd>ej1<  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 %7n(>em  
#$*l#j"#A  
系统说明 n| [RXpAp3  
cfrvx^,2&  
-A3>+G3[  
模拟和设计结果 3B6"T;_  
v9S1<|j
N  
数值探测器结果 \4FKZ>1+R  
YjTA+1}  
=3R5m>6!/  
YLAGTH0.]  
go[(N6hN  
总结 n>##,o|Vr#  
RLL2'8"A  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 0X: :<N@  
1.模拟 j?gscQ3  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 k\wcj^"cb  
2.评估 /4_^'RB  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 *j/[5J0'M  
3.优化 |d0,54!  
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。 -'wFaW0%I  
4.分析 B(l8&  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ~V?3A/]  
<&Q(I+^  
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。 qTd6UKg  
0s+pcqOd^  
详述案例 qt&zo5  
9p '#a:  
系统参数 ;~ ,<8  
Ad'b{C%  
案例的内容和目标 %I>-_el  
* U#@M3g.  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 ^V5g[XL2  
@2eV^eO9  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 &8^ch,+pD  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 [tEHr  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 .dStV6  
$
hGiI  
模拟任务：反射光束整形设置 @*{sj`AS '  
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。 zbM*/:Y  
H6Qb]H.C  

1;$8=j2  
fNllF,8}  
A
g#o&Y  
\'AS@L"Wj^  
规格：像散激光光束 v*UJ4r  
RxZ#`$F  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 x-3!sf@  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 >QJfTkD$  
O"Ua|8  
:lGH31GG  
8fI&-uP{g  
HGJfj*JH  
4X^{aIlshk  
规格：柱形抛物面反射镜 MlBw=Nr  
                         sHwn,4|iY  
 有抛物面曲率的圆柱镜 {#Vck\&  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 o"5[~$O  
 曲率半径等于焦距的两倍 FJj#  
LtDQgel"  
!"e~HZmr  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） Q#$#VT!F  
tEE1
`10Mt  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直  :Ky *AI  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） QoVRZ$!p  
 离轴角决定了截切区域 RaNz)]+7`  
9^5D28y  
规格：参数概述（12° x 46°光束） `T \"B%  
/j0zb&  
   AHA4{Zu[  
djxM/"xo  
光束整形装置的光路图 tgX},OU^  
*i>?YT  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 ^ew<|J2,B  
 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。 aYyUe>  
'\iWp?`$  
反射光束整形系统的3D视图 $)fybnY  
U.[?1:v  
+[sZE X  
5r$X  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 s, 8a1o  
 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:2DB&  
^ld?v  
详述案例 w|uO)/v  
(DW[#
2\.  
模拟和结果 8sV_@<l<X  
N%,!&\L  
结果：3D系统光线扫描分析 XazKS4(  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 ~GWn>  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 F$QAWs  
+C(v4@=nd  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd t#0/_tD  
08!pLE  
使用参数耦合来设置系统 WLTraB[?  
1;4] HNI  
u*<G20~A  
自由参数： 0H6^
2T<  
 反射镜1后y方向的光束半径 0K&\5xXM  
 反射镜2后的光束半径 A?q9(n|A"  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） NNt,J;  
 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。 =eXJZPR  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。  ThLnp@  
':v@Pr|  
7D;g\{>M  
>9S@:?^&q>  
^:0epj7  
UBUZ}ZIbN  
(v\Cv)OS  
自由参数： B>11  
 反射镜1后y方向的光束半径 F_Q?0 Do0'  
 反射镜2后的光束半径 [,F5GW{x  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） _Vs\:tygs  
 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。 E,#J\)'z  
nj7wc9z4  
?}N@bsl08w  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 +N9(o+UrU  
QX*HvT  
8G>;X;W  
结果：使用GFT+进行光束整形 #NAlje(7  
`dYM+ jpa  
"))G|+tz  
r2EIhaGF;  
?\Q
EK  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 }<EA)se"  
0.^9)v*i  
n%Vt r  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 2EeWcTBU}.  
S >PTD@  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 uM8YY[b  

{I!sXj  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： !,*#e  
ldJ:A*/M6  
TB]Bl.  
0;Y|Ua[G+~  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd uLw$`ihw  
GRanR'xG  
结果：评估光束参数 C} #:<Jx  
SnF3I  
M'=27!D^  
 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。 wn'_;0fg  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 fz`+j -u  
C(:tFuacpw  
Vo%MG.IPB  
 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。 oEHUb?(p  
 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） (ia
(y(=C  
FDB^JH9d  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd xGQ958@  
0Ts[IHpg&E  
光束质量优化 !s;+6Sy  
:@TfhQV_=Q  
Azrc+k  
 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。 &#'[]V%^F  
 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）。 Oj#nF@U  
3*G7H  
结果：光束质量优化 3_Su5~^  
_LV;q! /j  

GM6Y`iU  
 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。 1.]Py"@:  
[@OXvdTV  
eKlh }v  
)#9R()n!  
 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。） cvpcadN[  
#c V_p  
$cr
i"G  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd tVU
oUl  
Mg.xGST  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 Vcg$H8m  
,TTt<&c  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 NTk"W!<Cl2  
y< hIXC  
'&5A*X]d  
 这意味着参数变化是的正态 (5%OAjW  
&eQF[8 ,  
)TxAhaz+  
v\#69J5.>)  
d18%zY>  
 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。 Nhv~f0  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 (!Q^.C_m  
:qi"I;=6  
i,BE]w  
QDS=M]  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run 0nS69tH  
~Rx[~a  
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） dm1WC:b  
N3Ub|
$}q  
Kw}-<y  
q9w6 6R  
由于波前差和因此校准的偏差更大，M²值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。 9u/
"bj  
:tY;K2wDM  
总结 [ZS}P  
<U=
:N~L  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 F{\MIuoy  
1.模拟 WRQJ6B  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 }tT"vCu  
2.研究 vW`{BWd  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 m]J
Z@  
3.优化 yw`xK2(C$  
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。 *upl*zFf0  
4.分析 ;Y#~2eYCz  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 T_O\L[]p*  
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。 +rbj%v}Fh  
;w@PnY  
参考文献 FA?xp1E  
[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). b(dIl)Y4 :  
}!b9L]  
进一步阅读 _B)LRD+Hj  
s8.OL_e  
进一步阅读 LUv>0G#L[  
 获得入门视频 G<,@|6"w  
- 介绍光路图 nmp(%;<exN  
- 介绍参数运行 VL"!.^'c  
 关于案例的文档 #*;(%\q}  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens Er?Wg09  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens L3P_  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing k6-Q3W[+a  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair