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光束传输系统（BDS.0005 v1.0）
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cG<Q`(5~  
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 T;xHIg4
 
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b"*mi  
简述案例 _?*rtDzIM  
[+Yl;3&]  
系统详情 8-W"4)@b  
 光源 ?T$*5d  
- 强象散VIS激光二极管 m7weR>aS4  
 元件 dY48S{  
- 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） X=-gAutfE=  
- 具有高斯振幅调制的光阑 _wIBm2UO  
 探测器 ~t1O]aO(  
- 光线可视化（3D显示） )@sJTAK  
- 波前差探测 w50.gr7  
- 场分布和相位计算 9 kTD}" %2  
- 光束参数（M2值，发散角） Ki&WS<,0Z  
 模拟/设计 sj?`7kg  
- 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 u-]vK  
- 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： $l0eI  
 分析和优化整形光束质量 ym-lT|>Z  
 元件方向的蒙特卡洛公差分析 mdmZ1:PBM  
rQ9?N^&!%  
系统说明 Ncs4<"{$  
OtrXYiKB   
|*/uN~[  
模拟和设计结果 ir( -$*J  
.If"'hMY  
数值探测器结果 z&6]vN'  
Cw9@2E'b  
jpPdjQ  
1"~O"msb  
P@o,4\;K  
总结 D]LFX/hlH  
bahc{ZC2  
实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 \(3Qqbw  
1.模拟 =DQdPA\K  
使用光线追迹验证反射光束整形装置。 XSL t;zL:  
2.评估 {d*qlztO  
应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 k*zc5ev}  
3.优化 
8k*  
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。 F|h,a;2  
4.分析 troy^H  
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 tDuUAI54  
c)n0D=  
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。 p: Q%Lg_I  
CguU+8]  
详述案例 wXIe5  
a3(7{,Ew  
系统参数 3=G5(0  
}tl8(kjm  
案例的内容和目标 0|wKR|zW  
Np5/lPb1  
在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
,_TH@0{  
_z"ci$[  
 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。 ~8n~4  
 之后，研究并优化整形光束的质量。 f6aT[Nw<  
 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。 oto wvm  
=4w^)'/  
模拟任务：反射光束整形设置 D,m&^P=%e  
引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。 `*2*xDuP  
?@,f[U-  
jP6oJcZ  
6LF^[b/u  
Ej{eq^n  
X=!n,=xI  
规格：像散激光光束 S:B-nI  
9<0$mE^:  
 由激光二极管发出的强像散高斯光束 A=YEY n  
 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 VgC9'"|  
uq#h\p|  
\Im\*A   
-
+S~1`0  
[(.T%kJ  
p;QX"2  
规格：柱形抛物面反射镜 f>, Qhl  
                         OrKT~JQVC&  
 有抛物面曲率的圆柱镜 v2uS6  
 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 -T>wi J  
 曲率半径等于焦距的两倍 {1-CfQ0 8  
.of:#~  
5M.n'*   
规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） I!i#=  
#I{Yf(2Z  
 对称抛物面镜区域用于光束的准直 J9KLO=  
 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） 6@_@nlA<1  
 离轴角决定了截切区域 piM11W}|/  
pmpn^ZR  
规格：参数概述（12° x 46°光束） 4`'BaUU(  
pl^"1Z=*  
   odT7G
q  
k`J..f9  
光束整形装置的光路图 }rAN2D]"}  
B,na  
 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。 FOnA;5Aa  
 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。 &.bR1wX  
s)'_{ A"h  
反射光束整形系统的3D视图 }SvWC8  
iJj?~\zp  
-~GJ; Uw  
QT&Ws+@ s{  
 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 !Pjg&19  
 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）。 Hn]n]wsLy  
kG7,1teMk  
详述案例 X]^E:'E!  
GWE0 UO}  
模拟和结果 ]GPz>k  
zxmI/]3+/  
结果：3D系统光线扫描分析 )LMuxj  
 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 1?#p !;&  
 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 O.8m%ZjD  
8&[<pbN)  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd 4JQ`&:?r  
tVh4v#@+  
使用参数耦合来设置系统 H?bsK~  
98BBsjkd  
oX~$'/2v  
自由参数： U:p"IY#%  
 反射镜1后y方向的光束半径 yt#;3  
 反射镜2后的光束半径 =4\~M"
[p  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） >nW}zkfn  
 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。 (<~
R[sT|  
 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 bFxJ|  
&)}:Y!qiu  
]Sx=y<  
Lj* =*V  
(G
Orfr  
+=04X F:  
ymVd94L  
自由参数： U;dt-3?=.h  
 反射镜1后y方向的光束半径 ?D 9#dGK  
 反射镜2后的光束半径 W%ZU& YBc  
 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） IMw)X0z  
 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。 0a
oHv  
*H<g9<Dn  
KK3xz*W0  
 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。 pXEVI6 }  
=WRU<`\  
f9=X7"dzP  
结果：使用GFT+进行光束整形 /;m!>{({)  
rd~W.b_b  
kAQZj3P]  
>w;W&[  
T.N7`  
 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。 2jBE+k"M  
XFAt\g  
TUYl><F5v=  
 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。 #;\;F PuZ  
w3UJw  
 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。 rX d2[pp  
^`5Yxpz  
 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差： eL4@% ]o  
g' U^fN  
!+ hgKZ]  
WG r\R  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd ,qqV11P]  
!h(0b*FUJ  
结果：评估光束参数 +ANIm^@  
`3s-\>  
l:/V%{sx  
 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。 B y8Tw;aL  
 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。 +Z0E?,Oz  
{oeQK  
$466? oI  
 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。 .]l2)O
lLQ  
 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的） l@jJJ)Qyk  
yKhzymS}T  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd ;$;/#8`>  
dAt[i\S  
光束质量优化 a-5$GvG  
0~+:~$VrT  
e-t`\5b
;  
 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。 9xp ;$14  
 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。 F+r6/e6a  
d7gSkna`5c  
结果：光束质量优化 0P >dXd)T  
] 6B!eB !  
C(+BrIS*  
 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M2值在两个方向上几乎都是1。 en":  
h:90K  
OaWq8MIZ-  
A+8b]t_k  
 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。） *r3vTgo$  
7QFEQ}  
ri`|qy6! |  
file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd Jz b".A  
__npX_4%S  
反射镜方向的蒙特卡洛公差 =Ji:nEl]z  
v[GHqZ  
 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。 r&RSQHa)  
r"
{1H  
zb$U'D_-f  
 这意味着参数变化是的正态 r2w7lf66!  
y9<Fv|Ric  
2uEu,YC  
5}ah
%  
$Yc9><i  
 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。 e)7r  
这意味着，波前对对齐误差很敏感。 _=#mmZkq  
x$I>e  
+(0eOO'\M  
EG6fC4rfC  
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run #n r1- sf|  
6 [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） h08T Q=n  
Vo[4\h#$  
HS9U.G>  
k9]n/  
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。 KG@hjO  
(""&$BJQ|  
总结 eH6cBX#P.  
RqR X  
实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 (z{xd  
1.模拟 vD t?N9  
通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。 g^FH[(P[G  
2.研究 ?=&*6H_v  
为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。 )&K%Me  
3.优化 |Sm/Uq(c  
通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。 KW\`&ki  
4.分析 zT"#9"["  
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。 S0cO00_ob  
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。 tTal<4  
M*%Z5,Tc  
参考文献 v3Kqs:"\  
[1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007). _nUuiB>  
{;r5]wimb  
进一步阅读 F
44")fY  
!v=ha%w{  
进一步阅读 '"Gi&:*nQ<  
 获得入门视频 e6Y0
G,K  
- 介绍光路图 wvD|c%   
- 介绍参数运行 T=vI'"w  
 关于案例的文档
{1[8,Ho  
- BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens ifUgj8i_  
- BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens LJ?7W,?  
- BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing t [f]  
- BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair Yhfk{CI  
lCXo+|$?s  
$l=m?r=  
QQ：2987619807