光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
nQ3A~ () 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
,64 -1! MVUJD{ X# ~6md !o%i 简述案例
!C.4<?*| }"%N4(Kd 系统详情
EU Fa5C:
光源 |CbikE}kL - 强象散VIS激光二极管
gbD KE{ 元件
as = fCuJ - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
P16~Qj - 具有高斯振幅调制的光阑
SSzIih@u 探测器
NDokSw- -
光线可视化（3D显示）
Zx>=tx} - 波前差探测
Q22 GIr - 场分布和相位计算
W[r>.7>?h - 光束
参数（M2值，发散角）
?: 9"X$XR 模拟/设计
sV*H`N')S - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
t sRdvFFq - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
C9)@jK% 分析和
优化整形光束质量
G=bCNn< 元件方向的蒙特卡洛公差分析
~pky@O# b < (! :$ 系统说明
YuwI&) l %J-GKpo/S 
1G`Pmh@ 模拟和设计结果
~)M~EX&pK :[d9tm 
u)Whr@m 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
` ">= a?oI>8* 
4Wp=y 
hgE71H\s ZYNsHcTY 总结
oxtay7fx I5W~g.<6 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
#4;wjcGWw 1.模拟
tX~ w{| k 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
EKN~H$. 2.评估
(^>J&[= 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
K:WDl;8 (d 3.优化
PQE =D0 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
86H+h (R/ 4.分析
o5)<$P43 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
iU:cW=W|M\ "ocyK}l.?
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。
tQ601H>o
Wa~=bH 详述案例
IAyp 2 ]I6 J7A[ 系统参数
.jK4?}] ?&u u[y 案例的内容和目标
8 xMX 5`_SN 74 o 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 ? 4!K. #p{ 4^ 
5Ynd c)Z 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
u]G\H!Wk Q 之后，研究并优化整形光束的质量。
{\\T gs 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
- !
S_ryL ^kSqsT" 模拟任务：反射光束整形设置
!TcJ)0
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。
[Pb OfxxgA Y|/ 8up 
5E
< kwi J,6yYIq 
;9'OOz|+1 Zgb!E]V[ 规格：像散激光光束
= WJ NWt> :2)/FPL6 由激光二极管发出的强像散高斯光束
bQ5\ ]5M 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
4`=m u}Y2 G]aOHJ:. 
a09<!0Rp <\S:'g"( 
XB5DPx )WFr</z5bA 规格：柱形抛物面反射镜
NyuQMU xe$_aBU 有抛物面曲率的圆柱镜
a-J.B.A$Z/ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
k== h|\| 曲率半径等于
焦距的两倍
7IM@i>p% \lNN Msd& Z5]>pJFq, 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
!Xw5<J3L- 0Y5_PTWb+Y 对称抛物面镜区域用于光束的准直
An/|+r\ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
f`66h M[ 离轴角决定了截切区域
Ssg&QI J4U1t2@)9 规格：参数概述（12° x 46°光束）
M rb) 0C ,`h ` 
1m0c|ckb S`Rs 82> 光束整形装置的光路图
]
@fk] ]R )Xyn
q( 
I1&aM}y{G 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
IO:G1;[/2L 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。
f(7GX3? *}W_+qo" 反射光束整形系统的3D视图
bi;1s'Y<D "tp Sg 
L9#g)tf
8T o#1 $q`Z
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
B4 }bVjs 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）。
"@8li^ 18:%~>.! 详述案例
FHI ;)wn= lsNd_ 7k 模拟和结果
#:%/(j )dd@\n$6 结果：3D系统光线扫描分析
%ULr8)R;
首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
mpJ#:}n 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
63 B?. ;i:d+!3XwC file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
Aq7osU1B >b4eL59 使用参数耦合来设置系统
%H"47ZFxAs sCHJ&>m5- 自由参数：
XU7qd:| 反射镜1后y方向的光束半径
,$&&-p I] 反射镜2后的光束半径
- A!%*9Z 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
~ W]TD@w 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。
c~
V*:$F 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
r] 36z X v z2>lI9D4V 
JqiP>4Uwm^ wq `Bd 
$ iz|\m
3?
+Hd 自由参数：
!%0 * z 反射镜1后y方向的光束半径
, zY$8y] 反射镜2后的光束半径
i
K? w6 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
kMd.h[X~ 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。
f&
' 4HA< P6L 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
B^9j@3Ux ?6Y?a2 | rw
#$lP 结果：使用GFT+进行光束整形
| Xy6PN8 M =r)I~ 
T Rq6NB R~$qo)v 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
gB'6`' 8X|-rM{ 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
D,FkB"ZZE XOS[No~ 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
C 3YT1tK o`*,|Nsq 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
C~iL3C b CzEd8jeh7 
@s2y~0}# <e</m)j file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
Y0 -n\| s- T\r"d=j 结果：评估光束参数
!Q0w\j h &KRX[2 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
6 ~w@PRy 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
,nDaqQ-C!! 
@6T/Tdz 7O-x<P; 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
WEi2=3dV M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的）
A2jUmK.& nc|p ) file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
0.k7oB;f(@ [E juUElr 光束质量优化
IB] l1< DN5 7p!z 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。
wcY? rE9 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。
?2Py_gkf F@B]et 7 结果：光束质量优化
( 0_2sfS XuM'_FN`A< 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。
k_n ql8H RdR p.pb8 
*wB 1 ,U{ %/ #NK1&M 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
p4
^yVa ExL0?FemWV 
N U` file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
QX'qyojxN lp%pbx43s 反射镜方向的蒙特卡洛公差
m `^q <sj *mvlb
(' & 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
mSl.mi(JiZ +*/Zu`kzX 这意味着参数变化是的正态
#fn)k1 <k'h:KB?` 
p]2128kqx R|87%&6'] 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
a'yK~;+_9 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
Wf>R&o6tr :e miQ 
h^(* Tv-! 5(Q%XQV*P file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
,uhb~N< '$]97b7G 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）
0rs"o-s< fdi\hg^x 
C 7ScS"~ rlSeu5X6 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。
Vd +T$uC O ^duZ*b 总结
yZ U6xY ,G?WAOy, 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
ytJ/g/,A0i 1.模拟
0gP}zM73 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
bI9~jWgGp 2.研究
DgQp HF 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
tGE$z]1c@ 3.优化
a P@N)" 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。
9x9 T<cx 4.分析
2*l/3VW 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
h_3E)jc 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。
M; tqp8 3J|F?M" N7 参考文献
Q6!zZ))~ [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).
0{p#j~ZhC RmeD$>7 进一步阅读
o&)8o5 !6O(-S2A 进一步阅读
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