光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
O ;t?@!_ 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
MF sy`aiS >^HTghgRD 8mdd I 简述案例
]+7c1M B(5 F7 6h 系统详情
g'7hc~=
光源 "(VcYQ+ - 强象散VIS激光二极管
1Sk6[h'CL 元件
~, -O - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
C2i..iD - 具有高斯振幅调制的光阑
{S(T1ua 探测器
<s3( -
光线可视化（3D显示）
Dx)XC?'xO - 波前差探测
,]qX_`qF - 场分布和相位计算
Z-!T(: E] - 光束
参数（M2值，发散角）
%-|q3 ^s 模拟/设计
C
P v}A - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
DCUq.q) - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
B;_3IHMO 分析和
优化整形光束质量
Mw k_S Cy 元件方向的蒙特卡洛公差分析
QLg9a G| ^ w1R"qE"m 系统说明
?{")Wt Wy )g449 
gP%! 模拟和设计结果
M X\-)e# X0TGJ,yW( 
T
bWZw 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
4 Z )]Cq*3 $O!<Zz 
=(\!,S ' 
U8z"{ 83*k.]S` 总结
+[9"M+4- k@U`? 7X 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
_S1uJ~j;E 1.模拟
nJg2O@mRJ 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
X
jN.X 2.评估
l/NK.Jr 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
NZP,hAUK, 3.优化
4gENV{ L 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
1 X.1t^HH: 4.分析
fTgN 2U 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
Ts6X:D4, )>p6h]]a 对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。
(B#|3o T,> e\ 详述案例
sAlgp2- RoRVu,1 系统参数
TD7ON a-, ,cEcMaJ 案例的内容和目标
jp`N%O]6 ;v\n[ 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
:g";p.~= &pz8v WCk 
RoZV6U~ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
zPYa@0I
之后，研究并优化整形光束的质量。
{{,%p#/b 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
]"6<"1) L+L9)8FJ 模拟任务：反射光束整形设置
a0 6DeRCej 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
l!,{bOZ 2Oa -c|F 
B" v=Fr[ p3' +"sFU 
p2K9 R4 }dM^6
Kd% 规格：像散激光光束
a{W-+t 6wgOmyJx 由激光二极管发出的强像散高斯光束
KK6YA 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
lOui{QU Sj ? 'T @ 
_JH6bvb Q YBP{4Rl 
DV l: s Apn#o2 规格：柱形抛物面反射镜
e+[J9;g 2} t wt 有抛物面曲率的圆柱镜
i_"I"5pBF 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
n C^'2z 曲率半径等于
焦距的两倍
[6 |vx},N "6i9 f$N TfPx 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
\bfHGo= _f`m/l 对称抛物面镜区域用于光束的准直
(Wn'.|^% 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
$/H'Dt6x 离轴角决定了截切区域
J"y@n ~*0 z0sB*5VH 规格：参数概述（12° x 46°光束）
"^H+A-R[ D }\`5L< 
hd \#Vh(H u#\3T>o%@ 光束整形装置的光路图
$gNCS:VG* 5kF5`5+Vj 
:$j~; )2 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
Gm. hBNgp 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。
C6n4OU EB#z \ 反射光束整形系统的3D视图
Lj H] ;=R P*SXfb"HC 
:.cX3dP@ DQ)SMqOotw
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
L2qF@!Yy= 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）。
;%1^k/b6t e([&Nr8h 详述案例
ZLkJYZk D1f=f88/} 模拟和结果
0`W~2ai )~`zjVx_ 结果：3D系统光线扫描分析
[>-k(D5D 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
^tv*I~>J! 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
^{w&&+# ,q g@Zc'g/XB file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
9YJb~tuZ73 A-W7!0
使用参数耦合来设置系统
>HFJm&lQ ciTQH (G 自由参数：
R/#*~tPi8 反射镜1后y方向的光束半径
(\}I OCNS 反射镜2后的光束半径
/a
q%l]hQ@ 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
x\jHk}Buj 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。
zE [c$KPP 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
-4Xr5j%o (/Ubw4unI 
L,WK L . v% 1# y5 
]HRZ9oP
; H 3kb
+ 自由参数：
g5 E]o) 反射镜1后y方向的光束半径
p})&Zl)V 反射镜2后的光束半径
$\bH 5|Hk] 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
oI>; O# 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。
!hq7R]TC+ sJr $[? 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
H.9 J}k1S p k/#+r; D ir We 结果：使用GFT+进行光束整形
t~AesHZpk Rwr0$_A 
=y':VIVJC VY F4q9 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
+o/q@&v;Ax {e~d^^N5 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
&]euN~y 5 `+*({ 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
Kz%w MyZ:g ~7ArH9k . 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
+q4T] ;< 65AOFH 
MT9a 1 > v uJ~Lg{ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
cq 0jM;@d f5G17: Q 结果：评估光束参数
D1w_Vpz Rl,B !SF 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。
53L)+\7w 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
H(pOR< ` 
EGs z{c[8@ Kg.E~ 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。
nyIb8=f 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）
toQn]MT HsO=%bb file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
F;zmq%rK l"cYW9 光束质量优化
8^^al!0K~ !PO(Bfd 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。
)Q X9T 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）。
ZQyT$ l~b 9u:MF0:W 结果：光束质量优化
(s9?#t6 )ow 3Bl8w 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。
H
fRxgA @ >V]> h&` 
vj#gY2q Z b~\
N8KHNTb-M file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
0 xPML}|V ] 03!K E 反射镜方向的蒙特卡洛公差
ztTpMj E&97;VH 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
g]3-:&F{c \ ,?yj 这意味着参数变化是的正态
Vbwbc5m} ~:JK Xa? 
5B(|!Xq;I lRO4-
y 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。
$mpfr#!&3o 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
C&" 8A\we ?"L>jr( 
[rQ#skf |C5i3? file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
w("jyvV[C -8EdTc @ 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）
Q,s,EooIx !{SE m"J^ 
//WgK{Mt KYlWV<sR 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。
7}nOF{RH] KKOu":b
总结
~M <4 HC +wQ GC 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
u52@{@Ad 1.模拟
iA%3cpIc(Z 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
z`TI<B 2.研究
xvgIYc{ 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
eNXpRvY 3.优化
1Ce:<.99B 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。
S;CT:kG6Y{ 4.分析
mNV4"lNR 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
@w2}WX> 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。
[TNYPA> { O *jNeYA 参考文献
L:' Y#VI{ [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).
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