光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
{Q+gZcu 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
(8v7|Pe8 +iRq8aS_
QM3,'?ekRH 简述案例
Z3>N<u8) WZOY)>K 系统详情
xe7O/',pa=
光源 FX9F"42@ - 强象散VIS激光二极管
CkJCi 元件
+!QJTn"3 - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
u@ jX+\ - 具有高斯振幅调制的光阑
lb'GXd % 探测器
Hzrtl et -
光线可视化（3D显示）
3qY K_M^[ - 波前差探测
%6AW7q
t - 场分布和相位计算
C6O8RHg - 光束
参数（M2值，发散角）
h;=6VgXZ 模拟/设计
/R>nr" - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
c/B 'jPt - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
j p $Z] 分析和
优化整形光束质量
:2njp% 元件方向的蒙特卡洛公差分析
zBO (`=| h~C.VJWl 系统说明
+C1QY'>I lKEk XO 
?Ma~ ^0 模拟和设计结果
!"e5~7 {R/C0-Q^^ 
,K:ll4{b 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
m*$| GW9 ?<G]&EK~~] 
J8 Yd1.Qj 
P"<U6zM\sP 9f\/\L 总结
&$`yo` L`th7d" 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
a0Ik `8^` 1.模拟
/ y^7p9Z` 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
^z,_+},a3T 2.评估
PjN =k; 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
FQ>`{%> 3.优化
qF 9NQ; 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
>vuY+o;B 4.分析
ljK rj 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
' B )5|I_PX B 对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。
C/(M"j M c)@> zto# 详述案例
S1/`th _ Ro! "YVX 系统参数
ho>k$s? @iEA:?9uX 案例的内容和目标
z<.?x%4O }E`dZW*!! 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
_-5,z P R = waA`Id 
gocrjjAHk 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
o[H{(f 1% 之后，研究并优化整形光束的质量。
\6;=$f/?t 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
K-&V,MI 8 EVgoJ. 模拟任务：反射光束整形设置
I |# 5NE6 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。
B75k^ohfj Jv.U Q 
gIA@l `" d&#~ h:~ 
v=('{/^~> m^ x6>9, 规格：像散激光光束
:_Eqf8T Agrp(i"\@ 由激光二极管发出的强像散高斯光束
D5~n/.B" 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
waKT{5k QJ|a p4r 
4e;QiTj R0o Kbs{ 
;W>Y:NCrp G<M:A k +~ 规格：柱形抛物面反射镜
t'm;:J1 ^[ 15&T5 有抛物面曲率的圆柱镜
nNXgW 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
oA1a /[# 曲率半径等于
焦距的两倍
h5 yzwj:C? %7O?JI [ . " $ 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
f@co<iA v`1,4,;,qs 对称抛物面镜区域用于光束的准直
cWajrLw 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
x1 1U@jd+1 离轴角决定了截切区域
t\$U`V) "`asF g 规格：参数概述（12° x 46°光束）
k<+0o)) W-/}q0h 
7^T^($+6s& S(:l+JP 光束整形装置的光路图
ItVugI(^ C n<B<93f/ 
fb da 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
`-3o+ID\ 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。
UJs$q\#RO ?JxbSK# 反射光束整形系统的3D视图
\
u_ui yUPIY:0 
e6_ZjrQf fg #x7v4O
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
f3|@|'
; 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}IZY @x c ', I 详述案例
MQ)L:R` L $)H@|< K 模拟和结果
y$<Vha cQ: "-!ff 结果：3D系统光线扫描分析
OCy0#aPRS 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
:iR \% 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
KN"S?i]X Blq8H"3!: file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
X,8<oX1r /*Qq[C 使用参数耦合来设置系统
'Peni1_ Dup;e&9g 自由参数：
@E.k/G!~Nb 反射镜1后y方向的光束半径
~:km]?lz0 反射镜2后的光束半径
,#W 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
JY!l!xH( 6 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。
U:F/ iXz 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
#0 6-: m*X [ Jtr 
.WQ<jZt> RllY- JBO 
n41@iK2l 6dAEM;$_Z 自由参数：
?X?&~3iD% 反射镜1后y方向的光束半径
r6'UU u 反射镜2后的光束半径
/=uMk]h 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
Z>)][pL 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。
`]Bxn) b( Il.Ed-&62 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
{K#NB_*To :R):b [Pe#kzLX 结果：使用GFT+进行光束整形
rwIe qV{: +jC*'7 p@ 
L}#0I+M l7
kj5Q\vr) 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
C6_@\&OA #GaxZ 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
N)% ;jh:T _ .i3,-l) 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
G,= yc@uq v6\F
Q9|t 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
]\RRqLDzkg 9{j66 
A$g+K,.l V Cy5JH file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
YG c^h(d
QH]M 结果：评估光束参数
pS 4&w8s avp; *G } 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。
6I_Hd> 4 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
>Q,zNs 
Ut]+k+ 4 ,D6v4<jh 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。
nxQ?bk}*d 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）
Wl^R8w#Z$
yz+, gLY file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
b{DiM098 sM1RU 光束质量优化
h?\2 _s `nR %Cav,U 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。
?j7vZ}iRi 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）。
0%s|Zbo!> pO<-., 结果：光束质量优化
O$`UCq %[<Y9g,:Q 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。
5s de
IGX:H)&* 
"%8A :^1 v}J;ZIb 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。）
2}}?'PwwT vAP{;Q0 i 
XC15 K@K file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
5H ,G - 'k&?DZ! 反射镜方向的蒙特卡洛公差
V[pvJ( o?Sla_D 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
S N+ S 6 e` {0d{Nd 这意味着参数变化是的正态
6*GjP ;S = MQ][mMM;w 
z}}]jR \y? LU!1s@ 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。
FgA//)1 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
)He#K+[}^4 Z#` 0txCF 
{F*N=pSq xFp<7p
L file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
. &,[, \9)[ #Ld 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）
'Tb0 -1S? rlok%Rt4Z 
#`GbHxd w# PZu+ 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。
pt:;9hA 1TqF6`;+ 总结
0rMqWP ](r
^.k,R 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
c|wCKn}` 1.模拟
+?-qfp,:0 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
^6 /j_G 2.研究
<D /a l9 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
){Z 3.优化
n~z\?Y=* 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。
SqB /4P 4.分析
s*,cF6 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
>?XbU} 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。
R J J1 4sY[az 参考文献
9n}A ^ [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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