[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） UAT\ .  
|Tc4a4jS  
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 )5LT!14  
=>B"j`oR  
CoNaGb  
G_J}^B*?%v  
简述案例 _^NaP  
U1X"UN)  
系统详情 Kx&"9g$  
 光源 l EzN  
- 强象散VIS激光二极管 IsE3-X|  
 元件 "C
\yM{JZ  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） ,LN^Zx*  
- 具有高斯振幅调制的光阑 -l57!s~V  
 探测器 /\b* oPWJ  
- 光线可视化（3D显示） 5cinI^x)f  
- 波前差探测 ~F@n `!c  
- 场分布和相位计算 ;Tp9)UP)  
- 光束参数（M2值，发散角） MO0NNVVi%U  
 模拟/设计 )J> dGIb  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 $x+7.%1m)~  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： p\&/m  
 分析和优化整形光束质量 h!K" ;qw  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 g:a[N%[C  
'JJKnE zQ  
系统说明 hN6wp_  
qbfX(`nS  
#gO[di0WhC  
模拟和设计结果 k|
?[EWIi^  
9N'fU),I  
数值探测器结果 7=^}{  
B I)@n:p  
CYgokS\=,  
rFpYlMct  
Cj-&L<  
总结 =<3HOOC  
qe{;EH*  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 5l1R")0`t_  
1.模拟 T?m@`"L,  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 qi7C.w;  
2.评估 jaodcT0  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 eG!ma`v  
3.优化 } SWp~3P  
利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。 D^6iQW+.P  
4.分析 BLt58LYGX  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 UtTlJb{-j  
1L4-;HYJm  
对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 QJ;dw8  
x>Q% hl  
详述案例 g:)iEw>a  
*/aQ+%>jf  
系统参数 /qy6YF8;y  
+] ;WN  
案例的内容和目标 FsJk"$}  
F&R*njJcc  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 LxhS 9  
YZ+G7D>  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 }k-8PG =  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 U'ctO%  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 vRC >=y*=  
_MTZuhY  
模拟任务：反射光束整形设置 *{#C;"  
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。 lr~ |=}^  
4z(B`t~7  
g{6jN  
yjL+1_"B  
%AA&n*m  
A/I\MN|  
规格：像散激光光束 ^.8~}TT-U  
"[?DS  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 jOzXy
Dq  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 m8
{8r>6*  
I*.nwV<  
_|I8+(~)  
4%~*}  
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规格：柱形抛物面反射镜 -fFtHw:kHh  
                         bpZA%{GS  
 有抛物面曲率的圆柱镜 @a@}xgn{  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 $3 -QM  
 曲率半径等于焦距的两倍 __9FQ{Ra  
Tph^o^  
e`g+Jf`AT  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） r+C4<-dT  
)m;*d7l~p  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 7ihcjyXB  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 3JQ7Cc>  
 离轴角决定了截切区域 @ !su7  
u~M$<|;  
规格：参数概述（12° x 46°光束） Cwls e-  
2_HIn  
   3S+9LOrhY  
>eG<N@13p  
光束整形装置的光路图 ]?1_.Wjtt  
bKsjbYuo  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 #tu>h  
 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。
bVU4H$k  
E&kv4,  
反射光束整形系统的3D视图 b_nE4>  
i%.NP;Qq]M  
Oe\(=R  
q{9 \hEeb  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 q( ~rk  
 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）。 xAd@.^  
?lD)J?j  
详述案例 .o`Io[io  
p*0[:/4  
模拟和结果 3A`]Rk   
MwRLv,&"  
结果：3D系统光线扫描分析 gQ0,KYmI3_  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 0ex.~S_Oj4  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 f#:3TJV  
Cs>`f,o  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd R&Nl!QTJj  
axUj3J>  
使用参数耦合来设置系统 J$yq#LBbR@  
\ZADY.ha  
}#D=Rf?2\P  
自由参数： I{dy,\p  
 反射镜1后y方向的光束半径 $Okmurnn  
 反射镜2后的光束半径 eg/itty  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）  ,==_u  
 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。 -W^{)%4g
 
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 /jJD {  
@U=y}vi8  
oH6zlmqG"  
7mYcO3{5{  
\54B  
lFt!  
w~v6=^  
自由参数： FtyT:=Kpc  
 反射镜1后y方向的光束半径 n',X,P
0  
 反射镜2后的光束半径 ' F.^ 8/>  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） AVDhgJv  
 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。 ^L$`)Ja  
w;ZT-Fti  
WRu(F54Sk  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 ben-<3r  
,z
x{RDI  
?[ )}N _o#  
结果：使用GFT+进行光束整形 h#4n  
]'Eg2(wy  
<J+Oh\8tad  
~_JfI7={Jn  
")MHP~ ?  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 t'eu>a1D  
w>f.@luO4  
Jkj
7ty.J  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 neM)(` gp  
<jJ'T?,  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 cy,6^d  
.TA)|df ^  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： Kt*b) <  
?1\I/'E9  
ZPw4S2yw3.  
wnd #J `  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd .B~yI3D`M  
p35)K5V  
结果：评估光束参数 ":+d7xR?o  
xwsl$Rj  
gBV4IQ  
 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。 V.`hk^V,  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 Q +l{> sL  
j7&#R+f  
)x\%*ewY  
 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。 tZ62T{, a  
 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） rR@]`@9  
[VXQ&  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd A<c<!N  
#g$I>\O<  
光束质量优化 !b!An; ',  
16Ka>=G  
TU_'1  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 bX38=.up  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 -'miM ~kG[  
kXhd]7ru  
结果：光束质量优化 Y_n/rD>  
cu}(\a  
KtAEM;g  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 _$T !><)y  
_Ml?cT/J.O  
cG0)F%?X?  
y]{b4e  
 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。） a7_Q8iMe  
90+Vw`Gz=  
4S4MQ  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd M/W9"N[ta  
?84f\<"  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 L>/$l(
 
&#C&0f8PnD  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 _`=qc/-0  
Vr1r2G2  
:1f,%Z$,q  
 这意味着参数变化是的正态 _s#J\!F  
7n .A QII  
JQ}4{k  
uu]C;wl  
!2AD/dtt  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 AiR#:r  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 BIMX2.S1o  
]GR
VU  
vRaxB  
ozS'n]8*  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run FiReb3zR  
]+pE1-p\  
第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ） =
4x6v<  
ecl6>PS$'  
m-C#~Cp36  
ysp,:)-%G@  
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。 ^WWr8-  
arKf9`9  
总结 dh{py  
~g[D!HV|yu  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 r4FSQ$[9w  
1.模拟 (@T{
[\  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 aTHf+;  
2.研究 O '#FVZ.g  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 )qX.!&|I  
3.优化 uHf1b?W  
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。 H]V(qq{  
4.分析  1l}Am>}  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 'Eia=@  
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。 ffB<qf)?G  
r.LOj6c  
参考文献 b[&ri
:AC  
[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). - ]We|{  
M4?>x[Pw  
进一步阅读 WB (?6"  
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进一步阅读 "9c
!p  
 获得入门视频 n~>b}DY  
- 介绍光路图 k%-y\WM  
- 介绍参数运行 t,w/L*r+w  
 关于案例的文档 mOjjw_3gq  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens 'q/C: Yo  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens b+AxTe("  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing N-}OmcO]e  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair