光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
8`*5[ L~~/ 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
kc2B_+Y1
eV?%3h. j-1V,V= 简述案例
|-=-/u1 jI8`trD 系统详情
mx}5 ":}
光源 ^ `yhN - 强象散VIS激光二极管
bD vGFSAH 元件
SdlO]y9E - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
yT/rH- j;5 - 具有高斯振幅调制的光阑
EcHZ mf 探测器
rd->@s|4mT -
光线可视化（3D显示）
mHMsK}=~ - 波前差探测
uY~ mi9E - 场分布和相位计算
K7&]| ^M9 - 光束
参数（M2值，发散角）
t[!,puZc# 模拟/设计
{Ycgq%1>] - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
tQzbYzGb7 - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
Gk5'|s 分析和
优化整形光束质量
hD5@PeLh 元件方向的蒙特卡洛公差分析
8
siP Bdh*[S\u@E 系统说明
6E) T;R(@ _]*[T Gap 
%t&Lq }e 模拟和设计结果
`S((F|Ty=; .'M.yE~5J 
2Di~}* 9& 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
]B(}^N>WH b$H bo;_ 
On);SN' 
? /!Fv/ R,D/:k' ~k 总结
{($m LfC4 Qf0P"s` 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
%t_'rv 1.模拟
i-0
:Fs 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
Q% aF~ 2.评估
D?E
VzG 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
g[i;>XyP 3.优化
T+XcEI6w 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。
1W*Qc_5 v1 4.分析
6 T4 "m 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
_\4r~=`HQ 3SWDPy 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。
1N _"Mm{ d
>L8S L 详述案例
,Z|O y|+' 0*:n<T9 系统参数
&S.p%Qe" fX9b1x 案例的内容和目标
>; G_o="X wa[J\lW 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
Onqapm0 <8%+-[(
u^C\aujg 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
L~+aD2 E { 之后，研究并优化整形光束的质量。
%zc.b 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
@ ~{TL 7y& =YCkc7 模拟任务：反射光束整形设置
KX x+J}n 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。
ST#) Fl :6C R~p 
:F5(]g 7 ce4rhtkV 
"c~``i\G \zcSfNE 规格：像散激光光束
LkeYzQH/l $igMk'%Nmb 由激光二极管发出的强像散高斯光束
rfdA?X{Q0 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
m q<:^ oVuIHb0w 
([JFX@ n}%_H4t 
k!q OE\%B tF*Sg{:bCa 规格：柱形抛物面反射镜
(
K-7z :'t"kS 有抛物面曲率的圆柱镜
~&0lWa 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
mFpj@=^_G 曲率半径等于
焦距的两倍
!
, ] Fx U2_; ~Gg19x.#uW 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
%D7^. K~&3etQF 对称抛物面镜区域用于光束的准直
WFug-#;e 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
%RIu'JXi 离轴角决定了截切区域
bMqS:+ ENYc.$ r 规格：参数概述（12° x 46°光束）
I `{=[.c ciH TnC 
i+-=I+L3 MmfshnTN 光束整形装置的光路图
qqYQ/4Ajw ojWf]$^y} 
Dx r4B< 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
,({% t 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。
$H,9GIivD GO#eI]>/r 反射光束整形系统的3D视图
8r.MODZG/ jN+2+P%OL 
p{V(! v | '~6l
6wi
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
fK4O
N'[R: 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。
Zg])uM]\2i ' #r^W2 详述案例
x6 yO2Yo a'G[ !" 模拟和结果
H,fVF837 j~ q m5} 结果：3D系统光线扫描分析
WdrMp 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
<dY{@Cgw= 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
B<! wh P_N},Xry file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
/P{ 'nI 1$c[ G}h 使用参数耦合来设置系统
}Oy/F F.R0c@&W 自由参数：
na/,1iI< 反射镜1后y方向的光束半径
X`} 4=> 反射镜2后的光束半径
(5^SL Y 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
7mS_Cz+cB 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。
28,HZaXhc 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
;xE1#ZT ?rwHkPJ{* 
fVBu?<=d =~ j S 
~!dO2\X+ k:E+]5 自由参数：
t9kqX(! 反射镜1后y方向的光束半径
4 vPK Dd 反射镜2后的光束半径
?Qh[vcF7` 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
+3;[1dpgf 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。
cy_zEJjbD *7/MeE6)i 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
v.]W{~PI2V v/C*?/ ~ ~M J3-<I 结果：使用GFT+进行光束整形
yi1V \8DC V^p XbDRl 
.*w3 ryQ {cYbM[}U" 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
Ds%~J T`^LWc" 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
UXV>#U? =Cr
F(wVO" 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
4}=Z+tDu> ,G(bwE9~ 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
@$ d_JwI
h]okY49hY 
'ZQR@~G `wLa .Gzj file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
/H[ !v:U &l1CE1 9< 结果：评估光束参数
,1-#Z"~c r*s)T`T}} 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。
D C%H(2 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
2JRX ;s~ 
erZ%C < ~ f>km|Q{u 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。
H;eOrX {GT 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）
@8 GW?R MDKiwT@# file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
k7Z 1Y!n7 ZnYoh/ 光束质量优化
S~LT Lv:> -nrfu) G 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。
('.r_F 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）。
['n;e:* a7Rg!%r 结果：光束质量优化
qy|si4IU8, `JL&x|q o 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。
\a\ApD
.FXn=4l'vV 
m`l sUN, 14v,z;HXj 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。）
gkyv [ KUqD<Jj? 
*z
A1 NH5 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
SLG3u;Ab ()v{HB i 反射镜方向的蒙特卡洛公差
5 5T c p94 w0_m@| 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
p #95Q "ewB4F[ 这意味着参数变化是的正态
BSu
]NOwe OjiQBsgnj 
4h[^!up.7 /P /S0 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。
"~lGSWcU 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
G}b LWA *Q8d &$ ^ 
<ZM8*bqi M6b;
DQ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
}Myi0I< G6b\4}E 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）
w oqP&8a 'j+J ?Y^ 
:A{ US9D #Mz N7 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。
OW12m{ S?5z 总结
@9pk-BB^D PiRbdl 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
m_z1|zM}o 1.模拟
T?+xx^wYk 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
huau(s0um 2.研究
F*_mHYa; 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
q)uq?sZe 3.优化
F_$ K+6 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。
l%^'K%'b 4.分析
S/
Y1NH 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
7='M&Za 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。
:B<lDcFKJ )up!W4h6o 参考文献
" (+ ># [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).
UUx0#D/U0C ,zLi{a6 进一步阅读
=B(zW .Gf b7/1 ] 进一步阅读
y p=2nU"o 获得入门视频
GJA3 - 介绍光路图
yS#LT3>l - 介绍参数运行
(l.`g@(L 关于案例的文档
pt;kN& A^ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
wL2d.$?TEg - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
: /9@p - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
J0}OmNTzD - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
