[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） l('@~-Zy  
i)!2DXn  
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 >TQNrS^$J  
I4"(4u@P  
A<szY92&5  
1m~-q4D)V  
简述案例 Tr@|QNu  
dug^oc1  
系统详情 /:Q  
 光源 S+ 3lX7  
- 强象散VIS激光二极管 d1qvS@  
 元件 ljP<WD  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） 1IPRI<1U  
- 具有高斯振幅调制的光阑 xqQLri}  
 探测器 >vPv4e7&3  
- 光线可视化（3D显示） yM2}JsC  
- 波前差探测 A8X3|<n=  
- 场分布和相位计算 ~K/_51O'  
- 光束参数（M2值，发散角） Oq9
E$0JW  
 模拟/设计 #E$*PAB  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 71+ bn  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： FP<mFqy  
 分析和优化整形光束质量 %dwI;%0  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 s-801JpiJ  
kBeYl+*pk  
系统说明 Ul<:Yt&nI  
z&c|2L-u6  
;XIDu6  
模拟和设计结果 dQs>=(|t  
fZiwuq!_  
数值探测器结果 8n,/hY>w  
Ya `$.D  
Kw7uUJR  
mUNAA[0 L  
9Ca }+  
总结 d:Oo5t)MN  
C %i{{Y&l  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 7n)ob![\d  
1.模拟 -V&nlP  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 zRMz8IC.  
2.评估 9|WV28PK:  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Ye|(5f  
3.优化 VkkC;/BBW  
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。 tR\cS)  
4.分析 n-u HKBq  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 f hjlt#  
%Jji<M]  
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。 /Un\P  
8'ut[  
详述案例 .L~ NX/V  
y(wb?86#W5  
系统参数 TbD $lx3>  
QM24cm T  
案例的内容和目标 H]}mg='kI  
NY6;\ 7!n  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 }X6w"  
}9V0Cu1  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 *P/DDRq(2  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 {%\@Z-9%q,  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 A%cJ5dF8~  
[Z2{S-)UM  
模拟任务：反射光束整形设置 ,A5}HRW%  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 G{!(2D4!  
'YJ~~o  
6:q,JB@i  
]9-iEQ  
t`Rbn{  
h$XoR0  
规格：像散激光光束 &]tm'N25  
-,+~W#n  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 ;jJ4H+8  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 0 ;].q*|#  
h1)ny1;  
/ */"gz%  
-Q/wW4dE=  
ma xpR>7`j  
5IA
3\G}+  
规格：柱形抛物面反射镜 1gnLKfc  
                         kRr/x-"  
 有抛物面曲率的圆柱镜 =te4p@
 
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 OnH3Ss$  
 曲率半径等于焦距的两倍 = c1>ja  
iL!4r]~H  
uzI-1@`  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） AV4fN@BX  
VN0KK 1I  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 jZQ{XMF  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） If]rg+|U  
 离轴角决定了截切区域 (Y*9[hm  
Qp7F3,/#  
规格：参数概述（12° x 46°光束） III:jhh  
(! 8y~n1  
   +tlBOl$  
P+y XC^ ,  
光束整形装置的光路图 &JYkh >  
OnU-FX<  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 Xy./1`X  
 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。 yVQW|D0,j  
1JJ1!& >  
反射光束整形系统的3D视图 lWH#/5`h  
vL;>A]oM2  
@FZ_[CYg  
#|3,DZ|)F  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 cml~Oepf  
 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）。 AyW=.  
JIjo^zOXsc  
详述案例 YNl".c  
K2\)9  
模拟和结果 H DD)AM&p  
Wsp c;]&  
结果：3D系统光线扫描分析 y\4/M6  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 .beqfcj"  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 :P ]D`b6p  
<CJy3<$u  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd u\MxQIo'u  
zk!7TUZ">w  
使用参数耦合来设置系统 {2QP6XsJ  
;y{(#X#  
;q5|If  
自由参数： 6nJQPa  
 反射镜1后y方向的光束半径 +sTPTCLE  
 反射镜2后的光束半径 ~g%Ht#<  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） FhPCFmmUT  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 @
h_ bXo  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 @nMVs6  
;;m;f^]}  
uJlW$Oc:.  
Q, "8Ty  
QhLgFu  
c10$5V&@  
m`n~-_  
自由参数： QN?EI: q=  
 反射镜1后y方向的光束半径 OSLZ7B^  
 反射镜2后的光束半径 h@'CmIZc  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） %C@p4  
 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。 00s)=A_  
A|]#b?-  
_~D#?cFY6  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 -rjQ^ze  
K3UN#G
)U  
sekei6#fi  
结果：使用GFT+进行光束整形 7lA_*t@y  
nz'6^D7`r  
x]`@%8Sm  
#D%6b  
U* c'xoP  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 Wv9L}@J  
&cJ?mSI  
].5q,A]  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 c53:E'g  
^ERdf2  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 $cc]Av4c2  
OB\ZT@l  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： hQ!59  
lUA-ug! ^  
$+ N~Fa  
{o5^nd  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd nHH FHnFf  
h^qZi@L  
结果：评估光束参数 :vx<m_  
Q$ Dx:  
~Hv>^u Mh  
 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。 c#`IF6qj  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 V82I%gPF  
Iz-mUD0;  
#qR6TM&;  
 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。 3&5b!Y  
 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） ~K;hXf  
L<3+D
 
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd 
~:U`^wtQ  
CY{!BV'  
光束质量优化 VCiq'LOR,<  
Xdl dUK[  
z$}9f*W}B  
 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。 4[JF.O6}  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 %.]#3tW  
tPN CdA  
结果：光束质量优化 u*W! !(P/  
9E8&~y  
rIYO(}Fl  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。 k9<UDg_ Y  
6&0G'PMf  
oWLP|c~Ap  
6OAEAIh  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） FE^/us7r  
QT73=>^B  
frDMFEXXP  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd *| W*Mu  
-$:*!55:j  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 $w <R".4  
Yt,MXm\  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 m&DI2he  
r\F2X J^  
dT% eq7=  
 这意味着参数变化是的正态 jF j'6LT9/  
DO~[VK%|  
@ <2y+_e  
p8@8b "  
WLwi  
 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。 3!/J!X3L  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 S9 $t9o  
m ie~. "  
&!O?h/&X3  
1#7|au%:)  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run pU<J?cU8N  
wbcip8<t  
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） <Opw"yY&q]  
TbT/ 5W3  
$BgaLJs/O  
y7CO%SA  
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。 \}u/0UF97  
f(eXny@Y  
总结 +Yq?:uBV  
+J;b3UE#  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 3`vKEThY)  
1.模拟 rr\9HA  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 fp\mBe
i  
2.研究 y=f.;  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 9
xq3>(  
3.优化 AB,(%JT/2{  
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。 @NL<v-t  
4.分析 IDw`k[k  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 4g2`[<S  
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。 `AvK8Wh<+  
?u:mscb  
参考文献 ~MC5rOA  
[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). d}Guj/cx,  
7kA+F+f  
进一步阅读 'jE/Tre^  
He4HIZ  
进一步阅读 KehM.c^  
 获得入门视频 X"`[&l1  
- 介绍光路图 wme#8/eUk  
- 介绍参数运行 gg^iYTpt  
 关于案例的文档 0<uLQVoR2n  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens yih|6sd$F  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens A-3^~aEgx  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing .bP8Z=  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair