反射光束整形系统

李志敏 · 发表于 2023-4-6 18:17:43

光束传输系统（BDS.0005 v1.0）

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

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简述案例
系统详情
 光源
- 强象散VIS激光二极管
 元件
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
- 具有高斯振幅调制的光阑
 探测器
- 光线可视化（3D显示）
- 波前差探测
- 场分布和相位计算
- 光束参数（M2值，发散角）
 模拟/设计
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
 分析和优化整形光束质量
 元件方向的蒙特卡洛公差分析
系统说明

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模拟和设计结果

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场（强度）分布优化后
数值探测器结果

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总结
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
1.模拟
使用光线追迹验证反射光束整形装置。
2.评估
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
3.优化
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。
4.分析
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
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。
详述案例
系统参数
案例的内容和目标
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。

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 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
 之后，研究并优化整形光束的质量。
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
模拟任务：反射光束整形设置
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。

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规格：像散激光光束
 由激光二极管发出的强像散高斯光束
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动

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规格：柱形抛物面反射镜
 有抛物面曲率的圆柱镜
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
 曲率半径等于焦距的两倍

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规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
 对称抛物面镜区域用于光束的准直
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
 离轴角决定了截切区域

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规格：参数概述（12° x 46°光束）

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光束整形装置的光路图

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 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
 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。
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。

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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。

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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
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。

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结果：使用GFT+进行光束整形

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 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：

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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。

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 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）

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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）。

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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。

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 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。）

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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

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 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。

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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）

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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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