光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
(9 GWbB? 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
e@ 0 7 PO^ij2eS Tc:)-
z[o 简述案例
A#<? 4& IGQFtO/x 系统详情
7`Ak) F: V
光源 rJT a - 强象散VIS激光二极管
6ex/TySM 元件
eA ? RK.e - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
o5GcpbZ3k - 具有高斯振幅调制的光阑
1{. |+S Z! 探测器
0<@KG8@hI; -
光线可视化（3D显示）
yYYSeH - 波前差探测
(OL4Ex' ] - 场分布和相位计算
B ahm]2 - 光束
参数（M2值，发散角）
pRp Bhm;iJ 模拟/设计
{9pZ)tB - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
9T9!kb - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
gO- _ 分析和
优化整形光束质量
,PW' #U: 元件方向的蒙特卡洛公差分析
>Q;l(fdj 2- h{N 系统说明
gPO}d 'KL0@l 
*n
]GsOOn 模拟和设计结果
@n /nH ?L p)-^;=<B3 
#q $HQ&k 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
1(R}tRR7 R *OsQ}onv 
Y\P8 v 
,R\ \ % |aS.a&vwR 总结
9;u@q%;!k xm~ `7~nFR 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
3jU&zw9 1.模拟
bsli0FJSh' 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
: *#- %0 2.评估
'<)n8{3Q5w 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
X`K<>0.N 3.优化
8/#A!Ww] 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
cqkV9f8Ro 4.分析
pah'>dAL 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
|>^JRx C.-,^+t;g 对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。
Wvh#:Z Q3~H{)[Kq 详述案例
&6!)jIWJ 0Mm)`!TLSW 系统参数
K5h BDDlQci38 案例的内容和目标
s l l\g h; "4+uw 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
Sz`,X0a |HQW0 
!f [_+CD 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
Wn2NMXK 之后，研究并优化整形光束的质量。
IEi^kJflU 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
#trK^ ( !e<^?
r4 模拟任务：反射光束整形设置
vvMT}-! 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
UI0VtR] (w3YvG. 
wwZ ,;\ Yj49t_$b 
M6j y\<a tyFzSrfc 规格：像散激光光束
rb.N~ N4!O.POP 由激光二极管发出的强像散高斯光束
_`T_">9r 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
lL3U8}vn XR i8Gpg 
NXrlk rEW b" 
)ez9"# MH' a`>B Ly5o 规格：柱形抛物面反射镜
0GeTS Fj rV#ch ( 有抛物面曲率的圆柱镜
)y$(AJx$ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
wmLs/:~ 曲率半径等于
焦距的两倍
m{HS0l' X \/#@T e9 B064 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
kxv1Hn"`{E }|=|s f 对称抛物面镜区域用于光束的准直
| Cy E5i0 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
sPIn| d 离轴角决定了截切区域
a:w#s}bL @o`AmC .
8 规格：参数概述（12° x 46°光束）
Km$\:Xo <LiP Eo.R 
&6VnySE? d2$IH#~9B 光束整形装置的光路图
D&y7-/ 0g8NHkM:2a 
cr;da ) 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
es7=%!0 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。
V 'gh 6`v ?:0Jav 反射光束整形系统的3D视图
ZN0P:== S_H+WfIHV' 
v]Uw Jz3< ~k5W@`"W
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
VIf.q)_k 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）。
#RLt^$!H 4*;MJ [| 详述案例
F#E3q|Q"BS _+MJ%'>S 模拟和结果
vl )l' 8 &dF 结果：3D系统光线扫描分析
T)_hpt. 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
+=)+'q]S 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
qH_Dc=~la *LY8D<:z s file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
oXgcc*j 6Kz,{F@ 使用参数耦合来设置系统
uyx 2;f [Ch.cE_ 自由参数：
G3v5KmT 反射镜1后y方向的光束半径
X@FN|Rdh 反射镜2后的光束半径
_)-o1`*- 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
f*8DCh!r" 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。
HxI"
8A 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
sDV Q#}a }<:}XlwT% 
#`s"WnP9'! m#p'iU*va, 
P!k{u^$L ^<AwG= 自由参数：
x,V r=FB 反射镜1后y方向的光束半径
|wj?ed$
f 反射镜2后的光束半径
6W
Ur QFK 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
P0b7S'a4! 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。
QmIBaMI# U/BR*Zn]* 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
{ (}By/_ k VQ\1! Rlirs-WQ 结果：使用GFT+进行光束整形
rVs J`+L jZ;
=so 
GPkpXVm p()xz 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
@=kSo
-S X YK~%x o 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
.%QXzIa3F Yz<1
wt7; 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
F4{IEZ $, '*f?d 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
VLN_w$iEq t&DEb_"De 
8HdAFRw E1 f\%!2l file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
dC4'{ n| 7 W*w3 [_"sr 结果：评估光束参数
kO-(~]; 7J&4akT{9 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。
4ss4kp_> 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
jlg(drTo 
4nz 35BLr 6\S~P/PkE 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。
W+1^4::+ 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）
.w ,q0<} kz7(Z'pw file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
G9@0@2aY8 pcI uN 光束质量优化
xi; `ecqS< x3eZ^8^1} 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。
5QO9Q]I#_\ 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）。
fLAw12;^ Y:)e(c"A 结果：光束质量优化
1ZB"EQ 8kDp_s i 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。
BJo*'US-Q "G9xMffW 
]:/Q]n^ *s iFj
CN< 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。）
N= g"( % S?BG_J6A7 
[;myHI`tw file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
t.\dpBq &Z|P2 dI 反射镜方向的蒙特卡洛公差
=zs`#-^8 }f 7j 8py 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
6/d I6 C! 7W.~ 这意味着参数变化是的正态
t#eTV@- )TM4R)r%)9 
r0 uwPf "`1bA"E 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。
y Fq&8 x<X 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
WvZ8/T'x ^&Y#)II 
?p8_AL'RS gt w Q- file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
D*|Bb? _ZkI)o 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）
4)o >!)DM]Ri 
`%WU8Yv ijx0gh`~ 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。
6<(.4a? :tv,]05t 总结
FH+s s! %sQ^.` 2 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
A1zjPG &] 1.模拟
[QT#Yf0 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
*$ %a:q1U 2.研究
0v$~90) 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
c=.(!qdH 3.优化
e'b(gD} 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
#$qTFN 4.分析
<B8!.|19 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
%&t<K3&Yh 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。
pBA7,z"`mP I"7u2"@-8j 参考文献
O]1(FWYy [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).
]f9Cx\d:k p,i[W.dy.' 进一步阅读
WlBc.kFck SQt 4 v " 进一步阅读
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P dt vU-( - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
`~ CQU - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
