光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
n^3NA| A 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
o$^O<z L (bM)Nd Uv#>d}P 简述案例
:H~UyrN 0]/,m4a#n 系统详情
uVoF <={
光源 ?nj"Ptzs - 强象散VIS激光二极管
%D`^ 元件
>F_qa=t%[ - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
$4#=#aKW. - 具有高斯振幅调制的光阑
Vq? 8u/ 探测器
, k`YDy|#e -
光线可视化（3D显示）
JMl , N - 波前差探测
^\Ue7,H- - 场分布和相位计算
)M&I)In' - 光束
参数（M2值，发散角）
35-DnTv 模拟/设计
FkB6*dm- - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
mgJ]@s}9 - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
ui0J}DM 分析和
优化整形光束质量
\#IJ=+z 元件方向的蒙特卡洛公差分析
G! >
i qG BWqik_ 系统说明
1"~O"m sb Z QgxrZx3 
QSl: =Q' 模拟和设计结果
24.7S LXO `2Z4#$. 
3> n2 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
kHz+ ZY<? c1Fr u 
*_<SWTE 
>Rz#g*@E Wfi:wCqZG 总结
E#&c]9QM75 { c6DT 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
[TpA26#TTO 1.模拟
tq4"Q BIKh 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
ouu-wQ|(mM 2.评估
xC=3| ,U 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
X=* Yzz} 3.优化
)\:lYI}Wpm 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。
a3(7 {,Ew 4.分析
3=G5(0 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
+lk\oj$S+
z_[ 3IAZ 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。
h~^qG2TYWq Pv/%s) &y& 详述案例
)U/ @J+{{ b@Mng6R 系统参数
C4X{Ps \ GFy0R"&d[ 案例的内容和目标
1 ,*Z_ F=y dmTW]P2 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
2+r )VF: B [U.CAUn 
cr=FMf hB 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
$
uIwRG
< 之后，研究并优化整形光束的质量。
^|:{,d#Y 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
3 gfV0C\ }GU6Q|s[u[ 模拟任务：反射光束整形设置
]Pg?(lr 6) 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。
NIXc ib"tG qkR,<"C|` 
VE S4x%r= #k|g9` 
l52n/w#qFB | WwFE|< 规格：像散激光光束
U
K]{ ]- VEdnP +D 由激光二极管发出的强像散高斯光束
"< hx 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
zdpLAr 6jy n,GU 
d8y =. GXv o't@N 
9r vxp; ,h)T ( 规格：柱形抛物面反射镜
DoPF/m} H*
JC`: 有抛物面曲率的圆柱镜
S|5 lx 7 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
Xk9r"RmiOb 曲率半径等于
焦距的两倍
\ ]e w@C kl{OO%jZ NcY0pAR* 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
C ,e$g fKK-c9F 对称抛物面镜区域用于光束的准直
3S2p:\] 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
R.WsC bU 离轴角决定了截切区域
@W5hrei $8yGY 规格：参数概述（12° x 46°光束）
}W>[OY0^A d}B_ll#j- 
dmMr8- w r(xlokpnb6 光束整形装置的光路图
V;+$/>J`vB ug3lM N4UX 
ah$7
Oudj 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
- D^y)
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。
nJ0eZBgB] `/j|Rb|eow 反射光束整形系统的3D视图
Dqcu $ V] $6x:aG*F 
M[3 w EX^ k)GuMw
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
1AkHig, 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。
9QQ @Y} M,! n o 详述案例
F p=Q$J| IqJ=\ 模拟和结果
3 BhA.o 6!D 结果：3D系统光线扫描分析
/Rcd}rO 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
la{ :RlW 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
-3%)nV F^bQ - file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
)tQ6rd' 7Mg7B 使用参数耦合来设置系统
?g#t3j>zoF
qy (/
自由参数：
F3|pS : 反射镜1后y方向的光束半径
adPU)k_j: 反射镜2后的光束半径
~I ^[rP~ 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
nKJ 7K8) 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。
I=Dk'M 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
W>s9Mp 4O"kOEkKT> 
c5+lm}R ? +dpj? 
){|Lh( #$rT 4N c; 自由参数：
*H<g9<Dn 反射镜1后y方向的光束半径
J kDZl?x5 反射镜2后的光束半径
pXEVI6 } 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
=WR U<`\ 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。
u,9U0ua@; :q[n1
O[Ch 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
;m:GUp^[ ]=VI"v<X k3h53QTmC 结果：使用GFT+进行光束整形
Ywq+l]5/p Jl9TMu!1] 
`%I{l _ShJ3\,K 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
Y]0y
-H Nm q5Tv 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
PBnn,# ;//q jo 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
vXZz=E
AH u)]sJ1p
产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
[zd-=.:+M[ UimZ/\r 
S.>9tV2Ca 6_><W"r:] file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
o*BI^4 y9 ' 3vZ 结果：评估光束参数
ADUI@#vk %K,,Sl_ 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
w' >v@`y 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
)BrqE uX@" 
-^" ?a]B :m)?+ 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
]}c=U@D,9 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的）
J0plQDe 64s;6= file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
9}_f\B s )fr\ V." 光束质量优化
\~1+ T bv];Gk*Z- 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。
\./2Qc, 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。
\Nyxi7 _ 9
O' 结果：光束质量优化
I2Rp=L:z5 l0 _ O< 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。
EZW?(%b>H N^at{I6C 
7!) %%K.z6 E/ )+hK& 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
oI/ThM`=q |th )Q 
U\6DEnII?! file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
[AwE >f/g:[ 反射镜方向的蒙特卡洛公差
#O
]IXo(5z dj]N 59< 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
g/gLG:C ^Y |s^N 这意味着参数变化是的正态
5E=Odep` gC- 0je 
[%Xfl7;Wh rJwJ5U 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
{}e IpK,+ 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
v$Z1Lh h^, a 1' 
x N)Ck76 58,mu#yq6 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
MG>;|*$ % (%, ' 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）
Yd' ke,Je " Xc=<rX 
rK wkj) IuD<lMeJ J 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。
, Nh X% #u^d3
$Nj 总结
471}'3 -`&;3
7 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
{w ySH[V 1.模拟
g=Jfp$*[ 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
6W Zp&pO 2.研究
?Fu., srt 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
AaVlNjB 3.优化
"H8N,eb2 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。
XlPy(> 4.分析
T8LwDqio 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
wC~Uy% 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。
Sb.;$Be5g p P&~S<[ 参考文献
u QCS%|8C [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007).
yFjSvm6 fmh]Y/UC 进一步阅读
62 ) F vr$ [ 进一步阅读
b._pG (o1 获得入门视频
/<~IKVz\& - 介绍光路图
vSh)r 9 - 介绍参数运行
c 9V'Z d# 关于案例的文档
qM'5cxe - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
*RhdoD|a - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
%BJ V$tO - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
E),T, - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
