光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
At Wv9 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
Q0U~s\< /fI}QY1 /5@YZ?|#2 简述案例
&uq.k{<p\ ( @?mm 系统详情
CFtQPTw
光源 Sc<dxY@w7- - 强象散VIS激光二极管
384n1? 元件
feej'l }F - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
KWJVc
` - 具有高斯振幅调制的光阑
SDnl^a 探测器
3c<aI =$^ -
光线可视化（3D显示）
E>~R P^?Uz - 波前差探测
) c@gRb~ - 场分布和相位计算
)jM%bUk,! - 光束
参数（M2值，发散角）
#AD_EN9 模拟/设计
M:+CW;||! - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
T ,lM(2S[ - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
=2R4Z8G 分析和
优化整形光束质量
Bx?3E^!T 元件方向的蒙特卡洛公差分析
xl}rdnf} LmrdVSs_ 系统说明
{:X'9NEE {U5sRM|I 
(v]%kXy/G 模拟和设计结果
_4S^'FDo
o E+'@ 
mqSVd^ 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
xR+ vu>f WtM%(8Y[] 
74%vNKzc ~ 
0z8(9DlTc ]!hjKu" 总结
WogUILB #C S>_qe.{ 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
oF%m 1.模拟
8_ Oeui(i 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
vq$6e*A 2.评估
%cF`x_h[j 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
&Vl no* 3.优化
@*;x1A -]V 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。
*!5CL' 4.分析
N?\X 2J1 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
v+ $3 Q):#6|u+ 对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。
?ANW I8'_j M.}9)ho 详述案例
Jh"[ug 15:9JVH3D 系统参数
{l I}a 8DP ZrN(M p 案例的内容和目标
4^7 v@3
QV|6"4\ 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
6 @f > TOG:`FID 
Fis!MMh.$ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
k!c7eP"%8^ 之后，研究并优化整形光束的质量。
N/ a4Gl( 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
O& Y;/ $w [4Q;(67 模拟任务：反射光束整形设置
%
km <+F=~ 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
+M j 6.X j0l,1=^>l 
;,{ _=n> @c~Z0+ Ji 
x@#>l8 k? AR | 4^ 规格：像散激光光束
Ah2@sp,z %\'=Y/ yP 由激光二极管发出的强像散高斯光束
vC]X>P5 Px 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
[$dVs 16K U,rI/' 
+d,
~h_7! J 6 ~Sr 
b4L7M1l M;A_'h?Z 规格：柱形抛物面反射镜
V^7.@BeT jCqz^5=$ 有抛物面曲率的圆柱镜
*HrEh; 3^J 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
1]xmOx[mb 曲率半径等于
焦距的两倍
eMGJx "a I ~7iIUD GcO2oq 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
Bii'^^I;? [-(^>Y 对称抛物面镜区域用于光束的准直
LnR>!0:c 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
[6VB& 离轴角决定了截切区域
y|LHnNQ 0cm34\* 规格：参数概述（12° x 46°光束）
* +
T(i jKUEs75] 
poz_=,c .}__XWK5 光束整形装置的光路图
|/,S NE 3lF"nv 
Tm" H9 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
J|W E&5' 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。
Q<sqlh!h IO)Y0J>x 反射光束整形系统的3D视图
:1 +Aj
( Us`=^\ 
0)&!$@HW 93*csO?Db
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
qT#e
-.G 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。
7}iv+ rQ eo+<@83 详述案例
B.N#9u-vW EL,k z8 模拟和结果
7|}4UXr7y #*h\U]=VS 结果：3D系统光线扫描分析
TPp]UG 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
GDLw_usV 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
8 lQ}- 8 <8WFaP3, file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
x/,;:S Y j oe| 使用参数耦合来设置系统
< rzP Q}#Je.; 自由参数：
#-yCR 反射镜1后y方向的光束半径
t:1 0
反射镜2后的光束半径
sq$v6x s l 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
eiK_JPF A- 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。
53t_#Y te 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
7)2K6<q W
)FxN, 
o[>d "Kp wR%Ta - 
=E9\fRGU
Lt*P& 自由参数：
aAjl
58 反射镜1后y方向的光束半径
bRvG etX 反射镜2后的光束半径
!q\8`ss 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
y_m +&Oe 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。
f|{iW E2d ^xe+(83S2? 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
R`(2Fy%0\k wm~7`& atyvo0fNd 结果：使用GFT+进行光束整形
33oW3vS Ge?Wm q> 
U3_${ W3le)& 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
qFm w9\Fn <r}wQ \F# 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
v#,queGi ?[JP[
qS 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
{SV /AN /DAR'9@h 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
9@|52dz% GK$[ !{w; 
kX8C'D4 gX c!IZLaVAr9 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
_=mz Ze[ "# *W#ohVA 结果：评估光束参数
zj7ta[<tr 2 >o[ 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。
| N/d } 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
>V6 t
L;+ 
&J 3QO%
V_h&9]RL 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。
@:>]jp}uq 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）
D, ")n75 n\+ c3 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
5f*_K6 ,v R /=rNUe 光束质量优化
gH//@`6 iVFOOsJ@ 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。
>ai,6! 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）。
^L%_kL_7 _ /1/ { 结果：光束质量优化
FJ3S
kyHli~Nr" 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。
ji ?Hw o h{>nwH 
9tHK_),9 PK+sGV 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。）
Uj5-x%~
^.A*m MQ 
.lc p5D[( file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
@}
Ig*@ Qj^Uz+b 反射镜方向的蒙特卡洛公差
LhL |ETrJ Z!g6uV+.5 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
Tri\5O0lPs 0q 5 J)l: 这意味着参数变化是的正态
- lo?16w ^5X?WA,Z99 
y-hTTd"{ d]0:r]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。
H_?rbz} o 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
b<tV>d"Fv m z0{eO 
$5XA S |.@!CqJ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
~:Rbd9IB t=Oq<r 第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ）
' APx Pxl , " 
Z :{|
?4 v]cw})l 由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
J.UNw8z 9G[
DuYJI 总结
k7U.]#5V wh( _<VZ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
4
{M 1.模拟
M8-8 T 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
'pt ( 2.研究
@ZI Sv'F 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
J_7 w _T/ 3.优化
5qM$ahN3wH 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。
f7*Qa!!2p] 4.分析
]faj j\ 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
H8YwMhE7 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。
:aOR@])>o ;n't :yQW 参考文献
fizW\f8ai [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).
Y*BmBRN E+Bc>xl@ m 进一步阅读
1i#y>fUj |Y Lja87 进一步阅读
My>q%lF=fw 获得入门视频
9JdJn> - 介绍光路图
;87PP7~ - 介绍参数运行
x{;{fMN1 关于案例的文档
7I
~O| Mw - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
eQi^d/yi - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
}-tJ .3Zw - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
ku,{NY
f^Y - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
