[技术]反射光束整形系统 [复制链接]

光束传输系统（BDS.0005 v1.0） nB& 8=.  
w,9F riW  
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 q/?_djv  
+(%[fW  
o7zfD94I  
lZ_k307  
简述案例 P7-3Vf_L  
g"Bv!9*H  
系统详情 Q,`kfxA`O  
 光源 Q@
n kT1o  
- 强象散VIS激光二极管 I&Y(]S,cU  
 元件 |3m%d2V*hF  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） z?,5v`,t2  
- 具有高斯振幅调制的光阑 e_TDO   
 探测器 9G~P)Z!0  
- 光线可视化（3D显示） q?&&:.H"?5  
- 波前差探测 7l3q~dQ  
- 场分布和相位计算 mGvP9E"&  
- 光束参数（M2值，发散角） `l#g`~L  
 模拟/设计 aDuanGC/V  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 Jiq[VeLe  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： 4+Y5u4`t  
 分析和优化整形光束质量 ez{&Y>n  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 t/|^Nt@XT  
's<}@-]  
系统说明 cqudF=q  
2|BE{91  
QUf_fe!,|  
模拟和设计结果 G
>x0}c  
#G
x@\BE{  
数值探测器结果 soF^G21N  
k1J}9HNYR  
UlrY  
tPsU7bFk  
)f Rh^6  
总结 -eTGRr  
rtm28|0H'  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 16vfIUt
b  
1.模拟 GcuZPIN%D  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 k"J
?-1L  
2.评估 AI2CfH#:C  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 Sgj6tH2M  
3.优化 o/R-1\Dn  
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。 V QI7lJV"  
4.分析 xpz Jt2S  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ^^#A9AM  
1a<~Rmcil  
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。 /NZR|  
_EP}el  
详述案例 8CCA/6  
+Ji dP  
系统参数 -IE;5f#e  
BeQJ/`  
案例的内容和目标 /1*\*<cs  
F~EriO  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 "TPMSx&Ei  
Mtu8zm  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 P+[R0QS  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 8QU`SoS9  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 W8)GT`\  
4"{q|~&=:$  
模拟任务：反射光束整形设置 9 wc=B(a|  
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。 |c)#zSv  
Z\x6  
HO"(eDW6z  
7 UR)4dYA  
79\ =)m}$Q  
d<]/,BY'  
规格：像散激光光束 I/'>Bn+  
rie1F,  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 rVLA"x 9u  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 $/Mk.(3'P  
--FvE|I  
B6BOy~B0  
{zw#My   
@_;6L  
Z=#!FZ{  
规格：柱形抛物面反射镜 OnG?@sW+4!  
                         ;kY=}=9  
 有抛物面曲率的圆柱镜 c8(.bmvF  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 [*Lh4K  
 曲率半径等于焦距的两倍 qFay]V(O|  
s;bqUY?LD  
jk~<si  
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） mWZVO,t$  
K~uoZ~_gA  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 hSxf;>(d  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） O?P6rX
Kr  
 离轴角决定了截切区域 \!_ >ul  
&4DWLI  
规格：参数概述（12° x 46°光束） \eN}V  
/Z^+K  
   uJi|@{V  
b(wiJ&t  
光束整形装置的光路图 [xHK^JP 8F  
tYnNOK*|  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 &TKB8vx=#  
 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。 W)\~T:Kn  
+ft?aB@  
反射光束整形系统的3D视图 ;#AV~Y- s  
dD=dPi#
 
%GJ,&b|
 
1Eh(U  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 0 j6/H?OT  
 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）。 l/SbJrM*  
5K,Y6I&$SJ  
详述案例 >XBLm`a  
t'^/}=c-  
模拟和结果 !iMsTH<  
YqYCW}$  
结果：3D系统光线扫描分析 }yUZ(k#  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 cO' \s  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 Wfp[)MM;  
yKi* 8N"e<  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd NT:p6(s^  
TwY]c<t  
使用参数耦合来设置系统 1I_(!F{Ho  
H.*XoktC]  
k5(@n>p  
自由参数： p;g$D=2  
 反射镜1后y方向的光束半径 ]"^U  
 反射镜2后的光束半径 Ue! &Vm  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） <yBZsSj  
 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 JW (.,Ztm  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Ao(Xz$cQfW  
[*@"[u   
SO9j/  
&;|/I`+  
Hr:WE+'  
3V2"1Ic  
USv: + .  
自由参数： kU0e;r1N  
 反射镜1后y方向的光束半径 n)gzHch  
 反射镜2后的光束半径 tRFj<yuaq  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） uD_iyK0,  
 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。 -m3O\X  
voEg[Gg4%I  
xh,};TS(K  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 abp]qvCV  
8A#qbBD  
xx_]e4  
结果：使用GFT+进行光束整形 |\Nu+w  
^fa+3`>  
D:4Iex9$F"  
R_`i=>Z-  
To.CY^M  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 B|zJrz0q3  
)%I2#Q"Nt-  
-W<x|ph U  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 !RN(/ &%y  
FWNWOU  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 9KkxUEk
W  
x\T 9V~8a  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： W1fEUVj  
V4PI~"4q#1  
gMS-mkZ  
kr[p4X4  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ihS;q6ln  
L)p*D(  
结果：评估光束参数 <b!nI N  
rl"$6{Z}  
p~Di\AQ/  
 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。 yhxen  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。 I&%{%*y  
[uqe|< :  
Sc#B-4m  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 fyaiRn9/  
 M²值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M²值是由光束偏离引起的） 9$U@h7|Q`  
'#pY/,hVB  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd z><uYO$  
/P { Zo  
光束质量优化 Oh)s"f\N  
:Yeo*v9  
mCah{~  
 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。 J)tk<&X  
 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）。 iYJ:P  
S5'ZKk  
结果：光束质量优化 6WI-ZEVp&  
(h&XtFul}  
Tx)!qpZ  
 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。 (S<Z@y+d  
10.u  
B"; >
zF  
Z:_ wE62'  
 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。） V/N:Of:\R  
"!w$7|%T  
uO]^vP]fT  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd [te9ui%JS  
\Dn47V{7-  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 KkD.n#A  
VKGH+j[  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 *,x-}%X  
}253Q!f  
r [NI#wW  
 这意味着参数变化是的正态 s}1S6*Cr  
J)kH$!csi  
+F>9hA  
6I8A[  
X6h@K</c^:  
 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。 Wnf3[fV6P  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 S{uKm1a  
N"',  
5Yxs_t4  
owR`Z`^h)  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run .
W7ZpV  
\+9~\eeXb  
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） @Yzdq\FI  
bh Nqj  
6_rgj{L  
*- S/{ .&  
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。 Gl!fT1zh0  
Sh@en\m=#S  
总结 BI|BfO%F$j  
Tr\6AN?o  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 /7`fg0
A  
1.模拟 j Z6]G{  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 .,vF%pQ  
2.研究  UZ*
Yt  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 Q`0k=<  
3.优化 tMy<MO)Ei  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 M"W~%   
4.分析 bjq+x:>  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 J$+K't5BZ  
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。  0m&  
f+c<|"we  
参考文献 vG2&qjY1  
[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). 4tGP- L  
bdxmJ9a:R  
进一步阅读 R3dt
-v  
q@@C|oqEX  
进一步阅读 Zqp<8M2  
 获得入门视频 `i"7; _HoV  
- 介绍光路图 !et[Rdbu  
- 介绍参数运行 n[f<]4<  
 关于案例的文档 n !oxwA!  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens =QG0:z)K<v  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens h%=>iQ%enc  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing HLruZyN4  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair