光束传输系统（BDS.0005 v1.0） 2J%L%6z8~
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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 : (.:bf
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简述案例 &4 #%xg b g_io* K 系统详情 lj:.} +]r 光源 |T/s>OW - 强象散VIS激光二极管 {K}Dpy 元件 >j*0fb!:] - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） g{uiY| - 具有高斯振幅调制的光阑 "%S-(ue: 探测器 A f!`7l- - 光线可视化（3D显示） #<U@SMv - 波前差探测 TU6YS< - 场分布和相位计算 j 9GKz1 - 光束参数（M2值，发散角） -3wid1SOm 模拟/设计 qs= i+ - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 tFX<"cAvK - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： "u&7Y:)^wr 分析和优化整形光束质量 Y,E F'Ot 元件方向的蒙特卡洛公差分析 %cDDu$9; +2}Ar<elP 系统说明 L<XX?I\p ^,?>6O 
Pgq(y PC 模拟和设计结果 u$aN~6 HG gB+CM?
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=|dm#w_L" 场（强度）分布 优化后
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总结 &B=z*m
CdcB E.%< 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 V$;`#J$\b 1.模拟 w40*vBz 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 W<[7LdAB 2.评估 Ol<LL#<j4 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 H4{7, n 3.优化 GukwN]*OY 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。 *UJB *r 4.分析 dl |$pm@x 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 ,zH \P+ * ]W%rhppC 对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。 !U(KQ :j v&%W*M0q@ 详述案例 s >WqVuXmn
b NtO qhi 系统参数 .L^;aL iEy2z+/"^ 案例的内容和目标 #)#'^MZX
IM[=]j. ? 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 I\rjw$V# `/wXx5n5< 
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YYk gm:[ 
5"q{b1 ;;U&mhz` 规格：像散激光光束
60f%J1u M$f_I + 由激光二极管发出的强像散高斯光束 I>-}ys`[ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 |BGzdBm^x:
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AP=SCq ;
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Z vyF"4QN p{SIGpbR&
规格：柱形抛物面反射镜 ;[Eso p dPgA~~ 有抛物面曲率的圆柱镜 g K dNg U 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 Gt !Hm( 曲率半径等于焦距的两倍 TF h Yu [!ZYtp?Hf td#m>S 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） *1>T c,mb =ae hhs> 对称抛物面镜区域用于光束的准直 PM {L}tEQ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） ~ r$I&8 离轴角决定了截切区域 qrt2uE{K > 4#\ U! 规格：参数概述（12° x 46°光束） _,- \; (hv} K*c{ 
X<1y mb3 0nlh0u8# 光束整形装置的光路图 DFGgyF ay icK U) 
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gJzS,g1] 0E&XD&D 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 o` }8ZtD 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）。 7G_lGV_ D ,uT#P 详述案例 %';DBozZ s: MJ{r(s 模拟和结果 _'s5FlZq $,Y?q n/ 结果：3D系统光线扫描分析 bW'Y8ok[v 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 IRI<no 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 m( WVxVB B#4 J![BX file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd a+\s 0Qo< D/WzYc2h] 使用参数耦合来设置系统 Q@UY4gA '
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自由参数： q.lh
反射镜1后y方向的光束半径 _LZ 442
反射镜2后的光束半径 ]JI
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视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） jbTyM"Y
由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。 z7lbb*Xe
对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 aK9zw
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2{#=Ygb0
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<NM Os"NB 自由参数： !myF_cv}' 反射镜1后y方向的光束半径 c1_?Z 反射镜2后的光束半径 gr$H?|n l 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） * (<3 oIRS 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。 VnMiZAHR N" oJ3-~ oRCD 8b? 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
z[_G g8e 2O9OEZdKB Bk~M ^AK@~ 结果：使用GFT+进行光束整形 a^&3?3
N&lKo}hk 
ZbcpE~<a 1Aa=&B2 u\G\KASUK% 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
Z7R+'OC '~'3x4Bo j-etEWOTr 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
T k4"qGC. Rd*/J~TK 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
]dIr;x ` 6T~xjAuJ3T 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
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nyB~C7zR `{I-E5 x file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
l,3[hx uw@|Y{(K r 结果：评估光束参数 \<A@Nf" m,]M_y\u ub]
w"N 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。
I^6zUVH 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。
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K<+h/Ok .o o>NS 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。
>j$CM:w 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）
^UK6q2[ nEm+cHHo? file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
FeFH_ ?wx|n_3<: 光束质量优化 07+Qai-] Wc$1Re{z hw&R .F 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。
4m6E~_:F 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。
p( Q5!3C0q 3J}bI {3 结果：光束质量优化 j7 D\O oa |nQ`[ bmO[9
)G 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。
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fW4N +2 Pw '3ya8 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
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, file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
?J~(qa a; j{9sn,<: 反射镜方向的蒙特卡洛公差 @vaK-&|#$ "tbKKh66 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
PQ|k E`' eJ#q! < wvA@\-.+ 这意味着参数变化是的正态
#^v|u3^DD g%Ap <iT 
pVt8z|p_;{ x,z +l-y |,Y(YSg. 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。
Uok? F EN 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
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M: qeqn+ =x~HcsJ8!R file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
(&FSoe/![' y!Q&;xO+! 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）
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#|34(ML W@1Nit-R 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。
wEo/H =$IjN v (? 总结 hof:+ aW ]v3 9ag_hu 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
:0j9 1.模拟 9Ay*' 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
ZU b6d*B 2.研究 `Xnu("w) 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
!~cTe!T 3.优化 o@r+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。
|?SK.1pW 4.分析 [MYd15 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
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N 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。
<DCrYt!1}c Ym5q#f)| 参考文献 auqM>yx [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).
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