光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
9zp!lw~;+ 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
/fI}QY1 /5@YZ?|#2 &uq.k{<p\ 简述案例
IKD{3cVL CFtQPTw 系统详情
Sc<dxY@w7-
光源 384n1? - 强象散VIS激光二极管
feej'l }F 元件
KWJVc
` - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
SDnl^a - 具有高斯振幅调制的光阑
3c<aI =$^ 探测器
F y+NJSG -
光线可视化（3D显示）
0Hnj<| HL - 波前差探测
hkMeUxS - 场分布和相位计算
c./\sN @ - 光束
参数（M2值，发散角）
M:+CW;||! 模拟/设计
n:@!vV
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
}3Es&p$9 - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
":]X r!e 分析和
优化整形光束质量
UK =ELvt] 元件方向的蒙特卡洛公差分析
RT [p!xL [&lK.?V) 系统说明
} d[(kC_ iE%" Q? Q/ 
SuE~Wb 5 & 模拟和设计结果
v:O{"s 5!c/J:z 
u64#,mC[* 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
jv)+qmqo! 9CD ei~ 
ipSMmpB 
ptCF))Zm' AW O)]rM 总结
EG u%;[ THrLX;I 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
E0W c8m " 1.模拟
^C>kmo3J 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
:5YIoC 2.评估
{cK<iQJ 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
}M07-qIX{ 3.优化
0seCQANd 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。
yD9en YM 4.分析
-gn0@hS0 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
vhe Y
F@ ni;_Un~ 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。
qCs/sW )GB #"2 详述案例
[ 8Ohg "K{_?M `;e 系统参数
oW^b,{~V {*xE+ | 案例的内容和目标
l+ }=D@l $AK
^E 6 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
>y%H2][ &PMQ ]B 
ETDWG_H | 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
*xnZTj: 之后，研究并优化整形光束的质量。
~
'ZwD/!e 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
Ev fvU:z N/ a4Gl( 模拟任务：反射光束整形设置
2Bc cE 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
h+km? j mWviWHK 
j >k
;Z j (HNc9QVC'W 
@@Ib^sB%
*y Z6" 规格：像散激光光束
jWdviS9&g h.<f%&)F 由激光二极管发出的强像散高斯光束
5%-{r& 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
prJd' x^ s,<G 
t=%zY~P d)
-( C1f 
VDxm|7 aCZ0-X?c 规格：柱形抛物面反射镜
"P !
.5B Wn<?_}sa|z 有抛物面曲率的圆柱镜
8h]
TI_ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
yfl?\X{ 曲率半径等于
焦距的两倍
((M,6Q } d1~#@6CIz F^l1WX6 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
"L>'X22ed =, XCjiBeC 对称抛物面镜区域用于光束的准直
80nE QT
y 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
r S@/@jKZE 离轴角决定了截切区域
CJ<nU Iy'z =2!p>>t,d; 规格：参数概述（12° x 46°光束）
O-,
"/Z \M`qaFan5^ 
XoN~d :zL )O 光束整形装置的光路图
CE"/&I QE] 'Dc% 
]J Yz(m[ 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
BlJi Hz! 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。
~,lt^@a Q<sqlh!h 反射光束整形系统的3D视图
IO)Y0J>x :1 +Aj
( 
Us`=^\ F5?S8=i
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
fD!c t; UK 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。
. fWy\ r0 'z}
t= ? 详述案例
!Fl'?Kz
u`|%qRt 模拟和结果
` o)KG, zt VTXI%Kz 结果：3D系统光线扫描分析
P@N+jS`Vf 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
_=g&^_ #t 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
M+ [ho] xvl$,\iqE file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
5 kHaZ Q (3n "a' 使用参数耦合来设置系统
:FAPH8] CX]1I|T5 自由参数：
?L<B]!9HZt 反射镜1后y方向的光束半径
}nr jA0WN 反射镜2后的光束半径
=Jm[1Mgt 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
t:1 0
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。
C m[}DB 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
;2 1D ^ e g W tc3 
3d }v?q78 $z P5Hzx 
FL{Uz+Q #eW
T-m 自由参数：
kj6:P$tH 反射镜1后y方向的光束半径
=E9\fRGU 反射镜2后的光束半径
%IsodtkDu 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
%bnXZA2Sx 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。
J&8KIOz14Z wOAR NrPx2 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
m. pm, a=2. Y? Mj@2=c 结果：使用GFT+进行光束整形
lDL&":t ]BO:*&O 
$a_y-lY !!C/($ 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
Z- f eMM [=K
lDfU= 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
& M13F>! 6H |1IrG 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
cx[^D,usf~ ^_]ZZin 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
( d_z\U7l 8?Zhh . 
RHUZ:r qb? <u file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
.!3e$mhV 6?a`'& 结果：评估光束参数
hl1I G
! GRcPzneiz 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
R*r4)+gd 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
= wz}yfdrC 
&5 "! 0 i.mv`u Dm 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
<K0epED M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的）
_[HZ[ 9c! %#2$B+ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
Y5aG^wE[: b1C)@gl !Z 光束质量优化
SA TX_ I[?\ Or 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。
]$/oSa/ 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。
j4/[Z'5ny p#$/{;yy 结果：光束质量优化
syw1Z*WK 1 GYZ1iA 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。
6q^$}eOt c {= ; lT 
">[#Ops-;$ av'm$I|O 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
M`Q$-#E: (4FVemgy 
e"hfeNphz file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
<D a-rv 8 H~FI@Cf$L 反射镜方向的蒙特卡洛公差
/"X_{3dq? .I^4Fc }&4 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
QoYEWXT|g Wj.t4XG! 这意味着参数变化是的正态
%5e| fOi
Rstci 
p]kEH\
sh X /c8 XLe" 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
]^ R':YE 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
YdhV
a!Y .`IhxE~mN 
iM!2m$'s & 'u|^d file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
_*AI1/>`
5C dn
j 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）
Kg 6J:HD49 &@lfr 623 
,-6Oma
- 'x%gJi# 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。
' APx Ll|-CY $ 总结
BeUyt RZHfT0*jL 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
=NY;#J jn 1.模拟
n.@HT" 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
)^(gwE 2.研究
wh( _<VZ 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
y_9\07va< 3.优化
/NQrE#pb 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。
'pt ( 4.分析
@ZI Sv'F 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
J_7 w _T/ 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。
]zYIblpde f7*Qa!!2p] 参考文献
]faj j\ [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).
H8YwMhE7 :aOR@])>o 进一步阅读
>*EZZ\eU! DQ8/]Z{H 进一步阅读
d}O\:\}y 获得入门视频
b|_e):V| - 介绍光路图
'#c# .O - 介绍参数运行
Q>$B.z 关于案例的文档
XHA| v^ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
J?V$V
>d - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
fd4gB6> - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
/Q st :q - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
