反射光束整形系统(2)

cherryjhy · 发表于 2023-3-29 17:43:12

反射光束整形系统的3D视图

 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
 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）。

详述案例

模拟和结果

结果：3D系统光线扫描分析
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd

使用参数耦合来设置系统

自由参数：
 反射镜1后y方向的光束半径
 反射镜2后的光束半径
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
 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。
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。

自由参数：
 反射镜1后y方向的光束半径
 反射镜2后的光束半径
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
 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。
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。

结果：使用GFT+进行光束整形

 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。

 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。

 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。

 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd

结果：评估光束参数

 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。
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。

 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。
 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）

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd

光束质量优化

 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。
 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）。

结果：光束质量优化

 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。

 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。）

file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd

反射镜方向的蒙特卡洛公差

 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。

 这意味着参数变化是的正态

 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。

这意味着，波前对对齐误差很敏感。

file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run

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）

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。

总结

实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
1.模拟
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
2.研究
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.优化
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。
4.分析
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
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。

参考文献
[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).

进一步阅读

进一步阅读
 获得入门视频
- 介绍光路图
- 介绍参数运行
 关于案例的文档
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair

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