光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
+ c+i u6+" 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
641P ) x(cv }#}S8 A .Wf6o 简述案例
!\<a2>4$T hPUAm6 b; 系统详情
,:e~aG,B
光源 swxX3GR - 强象散VIS激光二极管
9(J,&)J 元件
Q3(ulgl] - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
tsJR:~ - 具有高斯振幅调制的光阑
u5Vgi0}A 探测器
tj'~RQvO -
光线可视化（3D显示）
, f2oO?L} - 波前差探测
Q"ZpT - 场分布和相位计算
4~&3.1 - 光束
参数（M2值，发散角）
_
, s^ 模拟/设计
L2,2Sn*4i - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
4"k &9+> - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
uE41"?GS 分析和
优化整形光束质量
pa 1<= w 元件方向的蒙特卡洛公差分析
xa@$cxt NJQ)Ttt 系统说明
8W{M}>;[9 O-X(8<~H= 
!9WGZfK+0Y 模拟和设计结果
OemY'M? ZQ p X{wEc6 } 
L ?j0t*do 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
v># Njgo P,ueLG= 
N?ccG \t 
3fhY+$tq {KNaJ/:>W 总结
(<r)xkn xy7A^7Li 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
) b #5rQ 1.模拟
-n&&d8G^s 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
LN WS 2.评估
b^Z2Vf:k] 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
ea"X$<s>- 3.优化
xeSch?} 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。
6X*vCylI 4.分析
IQ @9S 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
Tv DSs]) h(HpeN%`# 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。
B=TUZ) KU,SAcfR7 详述案例
a]u.Uqyx2w B1 8B wY 系统参数
SG)Fk *1 j|[rT^b@ 案例的内容和目标
q$:7j5E {6v.(Zlh$ 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
Wp>t\S~N |+q_kx@?l 
pPBXUu' 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
V|MHDMD= 之后，研究并优化整形光束的质量。
Pp-N2t86#2 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
Xe %J{ bg i_QB#k\ 模拟任务：反射光束整形设置
?Fl}@EA#M 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。
&))d],tJX 1 %P-X! 
}#FV{C] Oj c Tu 
Vc(4d-d5 o1ZVEvp 规格：像散激光光束
09-8Xzz ~a ([e\~ 由激光二极管发出的强像散高斯光束
,%TBW,> 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
+c))fPuV z< L2W", 
`q -+r1u yjjq&Cn 
JD$g%hcVZa 1%+-}yo< 规格：柱形抛物面反射镜
uCDe>Q4@/ ;d6Dm)/( 有抛物面曲率的圆柱镜
BYq80Vk%@ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
'5BD%#[ 曲率半径等于
焦距的两倍
TmG);B} y|6n:<o ddfGR/1X 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
&>zH. 6%$ NfvPE ]S 对称抛物面镜区域用于光束的准直
*6/IO&y1a 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
\jiE :Qt 离轴角决定了截切区域
Y"mFUW4 e fX nF*Z 规格：参数概述（12° x 46°光束）
Xf`e 4 k`:zQ d^T 
m.K cTM%j ^X96yj'? 光束整形装置的光路图
lp
*GJP]T qdix@ @ 
;bE/(nz M 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
1B4Qj`:+0 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。
Uj(0M;#%o+ >5CK&6 反射光束整形系统的3D视图
,.<mj !YE ~!$"J}d}< 
CPOH qK`k 3 + 6Ed;P
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
[[$C tqLg 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）。
9hA`I tS 1"H; Tr| 详述案例
0nb%+],pX nQiZ6[L 模拟和结果
<o% T] WQ9e~D" 结果：3D系统光线扫描分析
`dZ|Ko%k 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
8FuxN2 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
wo@ T @Ve~ Pu3oQD ldV file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
O52 /fGt g6,D Bkv2 使用参数耦合来设置系统
s)E \ <w9~T TS 自由参数：
d VbFMQ& 反射镜1后y方向的光束半径
^ }7O|Y7 反射镜2后的光束半径
(uC8M,I\ 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
!eF(WbU0 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。
@"7S$@cO 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
b}K,wAx
*5fe B# 
FP= B /!g L I<S 
dbby.% sT)>Vdwf_ 自由参数：
/JR+WmO 反射镜1后y方向的光束半径
:F:1(FDP 反射镜2后的光束半径
?h}NL5a 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
XKWq{,Ks 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。
t7]j6>MK3q X FS ~ 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
U,#~9 ;5tOQ&p%v `\UY5 n72 结果：使用GFT+进行光束整形
Bv<g Vt tkj-.~@g0' 
, jY:@< n =~;~hZj 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
0/GBs~P ng%[yY 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
r9ulTv}X ]h S:0QE 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
yNI0Do
2 $lxpwO 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
`]KX`xGK z.8/[) 
~ q ^o |? \;&;K'
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
=|? `5 !A ;E.]:Ia~ 结果：评估光束参数
_LaG%* R6 %/ A>'p,~ 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
c>LP}PGk 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
9S%5 Z> 
ve
d]X! <st <oR' 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
z8X7Y
>+SA M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的）
KL_ /f ^C'S-2nGH file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
+ pR,BjY lx|Aw@C3~ 光束质量优化
J+P<zC =o 9s?vOJ 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M2值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。
>?@5> wF 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。
!8G)` ' uyYV_Q0~; 结果：光束质量优化
H7+"BWc Q 5AS N"_ 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。
L3%frIUd ogFo/TKM 
4t[7 lL`Z ?, pwYT0g 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
XM:BMd| x$d[Ovw- 
vFk@
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
.
Vb|le(7 X~r9yl> 反射镜方向的蒙特卡洛公差
8Yq06o38C hi"C<b. 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
UVw^t+n B=cA$620 这意味着参数变化是的正态
TQ(q [:> "B3jq^ 
Jt[ug2 6 sx#O3*'>1 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。
p :xyy*I 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
N?qETp -: 7z;2J;u`n 
Wr[LC& -PPwX~;! file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
T ~xVHk1 $V87=_} 第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ）
{?yVA Zv
%>m 
wH|%3 @eJ {"'M2w:|D1 由于波前差和因此校准的偏差更大，M2值明显增加。可以使用高斯孔径来减少。
gCg hWg{S D/E5&6 总结
|m-N5$\IC )xcjQkb 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
;T^s&/>E 1.模拟
h ; uzbu 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
7]rIq\bM 2.研究
hrKeOwKHU 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
Qf_N,Bq{a 3.优化
lj]M 1zEz& 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。
+t,b/ K(?] 4.分析
`/WxEu3 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
yP]>eLTSd 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。
j/TnKO F$8:9eL,T 参考文献
iM8Cw/DS [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).
{qw'gJmX 8U@f/ P 进一步阅读
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zg(C} 9fX0?POG 进一步阅读
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