光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
^1.B y^
$ 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
hwv/AnX~O 4kx
N<]
;i+jJ4 简述案例
j#ab_3xH L!x i 系统详情
1yhDrpm
光源 bk[!8- b/a - 强象散VIS激光二极管
;4\;mmLVk 元件
ww1[rCh\+ - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
K$=zi}J W - 具有高斯振幅调制的光阑
wi bNQ`4k 探测器
SmO~,2= -
光线可视化（3D显示）
0g8NHkM:2a - 波前差探测
|A(Iti{v - 场分布和相位计算
es7=%!0 - 光束
参数（M2值，发散角）
X &H"51 模拟/设计
?:0Jav - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
ZN0P:== - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
!4+<<(B=E 分析和
优化整形光束质量
dR]m8mdqc1 元件方向的蒙特卡洛公差分析
v]Uw Jz3< Q~9^{sHZjP 系统说明
]`WJOx4 QMm%@z H 
;O,jUiQ 模拟和设计结果
%W S+(0*1 >vsqG=x 
m1A J{cs 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
jL}v 9$ aN3;`~{9 
]Hv[ IodJ 
owv[M6lbD ,V}WM%Km 总结
lyhiFkO
iH >9J:Uo1z 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
a 1*p*dM# 1.模拟
MolgwVd 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
xT2PyI_: 2.评估
tZo} ;|~' 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
fc>L K7M 3.优化
G3v5KmT 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。
alb.g>LNPP 4.分析
[2cD:JL 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
,/unhfs1q a8Wwq?@ 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。
c&Q$L } % & bY ]w 详述案例
HxI"
8A <OPArht 系统参数
|4`{]2C bg0Wnl 案例的内容和目标
ybUaTD@?}b >
Nr# O 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
|ENh)M8}r x,V r=FB 
[Vt\$ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
6W
Ur QFK 之后，研究并优化整形光束的质量。
@KAI4LP 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
Z?z. ?a r vvOV2n .WD 模拟任务：反射光束整形设置
a[TMDU;(/4 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
Z/J y'$x 5kXYeP3: 
Aiea\j Bv L/^I*p , 
ct}9i"H#1 Rx}Gz$ 规格：像散激光光束
!f6(Zho 40
0#v |b 由激光二极管发出的强像散高斯光束
Lj ;2\] 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
n'w.;
q S X-iAS[< 
_J [P[(ab Yz<1
wt7; 
OZ!^a k 8dyg1F 规格：柱形抛物面反射镜
@\I#^X5lv FxtI"g\0 有抛物面曲率的圆柱镜
dcT80sOC 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
~e.L.,4QZ8 曲率半径等于
焦距的两倍
#R
RRu2 ?G&ikxl 8HdAFRw 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
1ZRT:N<- dC4'{ n| 7 对称抛物面镜区域用于光束的准直
Ecx<OTo 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
>- { Hy x 离轴角决定了截切区域
>@ AB<$ A B?o7e<l[ 规格：参数概述（12° x 46°光束）
N)>ID(}F1 G owH]MO 
H 7
^/q7 YT8F#t8 光束整形装置的光路图
9] @!S|1 W+1^4::+ 
*4_Bd=5(U 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
/|#fejPh 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:P}*^
Gw 8e"gW >f 反射光束整形系统的3D视图
/JU.?M35 r/*D:x|yN 
pFz`}?c0 BDZ?Ez \Sg
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
9 JK Ew 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）。
ymcLFRu, EDs\,f} 详述案例
:T(|&F[( 5QO9Q]I#_\ 模拟和结果
8SS|a ##4HYQ%E 结果：3D系统光线扫描分析
! FF U=f 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
1ZB"EQ 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
U|j`e5)
^L&iR0 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
MR.'t9m2L *s iFj
CN< 使用参数耦合来设置系统
N= g"( % S?BG_J6A7 自由参数：
Lbb0_-'] 反射镜1后y方向的光束半径
Ef13Q]9| 反射镜2后的光束半径
K )k<Rh[< 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
n>U5R_T 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。
U_c *6CK 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
2SR: FUV/ 42ivT_H 
&~U ] ~;@ 3|Xyl`i4o 
1D!<'`)AY R0 自由参数：
hqkz^!rp 反射镜1后y方向的光束半径
Fh9h,'
V" 反射镜2后的光束半径
0% I=d 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
k2UVm$ }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。
r^ ZEImjc ayF\nk4b 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
ZO$%[ftb $\y'I Q% I ?G : p+ 结果：使用GFT+进行光束整形
OJy#w{4 cq4I pe 
g_COp "!~9 ~z;FP$U 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
As<bL:>dE ZLAy-
9^Y 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
gEE\y{y R hLVg~x 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
L5:$U>H( XACm[NY_ 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
$z*'fXg B ~Xw[q 
8 uwq-/$ hODWB&b file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
y7 Df_|Z L8#5*8W6 结果：评估光束参数
e.V:)7Uc ,{?%m6.l E 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。
h2 ;F 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
w}cPs{Vi" 
NGO fb (;^syJrh 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。
@@ %.t|= 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）
{o`] I>gb #" iu| D file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
gQ1;],_ <
F+l 光束质量优化
l 3F6AlPql (n9g kO&8" 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。
5 5c|O 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）。
&m:uO^-D Z^MNf 结果：光束质量优化
YcK| .Mq': Sa;qW3dt3E 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。
Y#$%iF K1!j fp 
WWHoi{ q
n$,*|_$# 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
_D(rI#q LvUj9eVb/L 
/,Re "!jh file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
PxkO T* +-CtjhoS 反射镜方向的蒙特卡洛公差
(|1A?@sJ#h mmRJ9OhS 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
V~;1IQd{ 7 X'u6$i 这意味着参数变化是的正态
i|*)I:SHU q 2:6QM& 
&t:Gx<] 6- B|Y3)B 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。
Av V|(K" 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
vJOw]cw q b-Q>({=i 
p hz Km9 p\aaJ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
/?F/9hL vbe|hO"" 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）
3c6b6 0eu$ W 
!*bMa8]* .I0q G g 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。
0Bi.6 r @Y<bwv 总结
1--C~IjJ+ >!bJslWA 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
@{tz:f 1.模拟
q0R -7O( 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
J!pygn O 2.研究
Tl[!=S 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
E`d e7 3.优化
.NC:;@y 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。
OO*zhGD;[ 4.分析
=sJ7=39 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
};jN\x?&q 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。
Jx](G>F4f1 9V@V6TvW>& 参考文献
"8^
Ch{G- [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).
8hJ%JEzga 27 O|).yKX 进一步阅读
wL
4dTc 5aZ2j26 进一步阅读
$i g0j` 获得入门视频
"(z5{z?S - 介绍光路图
7gvnl~C( - 介绍参数运行
L`p4->C9A 关于案例的文档
Be=u&T:~ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
RcM/!,B - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
<vh/4 - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
,<tX%n`v= - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
