光束传输系统（BDS.0005 v1.0） g HvW
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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 T/wM(pr'
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&@4 .;u Lf^5Eo/
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简述案例 Nt
zq"ces) N
b3I%r 系统详情 ~VqFZasV 光源 zP :~O - 强象散VIS激光二极管 ka2F ! 元件 TRgY :R_ - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜） N<aB)</ - 具有高斯振幅调制的光阑 G-\<5]k] 探测器 <`c25ih.4 - 光线可视化（3D显示） OgEUq' ' - 波前差探测 /&D'V_Q`* - 场分布和相位计算 j`2B}@ 2 - 光束参数（M2值，发散角） @A
[)hk&(R 模拟/设计 uX[O,l^} - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算 w:: r? .9 - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）： =<[7J] % 分析和优化整形光束质量 >.J'L5
x$ 元件方向的蒙特卡洛公差分析 f DU+ 3b UvPp~N 7, 系统说明 M MAAHo DH\wD Q 
OlEpid'Z 模拟和设计结果 <TI3@9\qXE Az
U|p 
L "[IOV9S 场（强度）分布 优化后
tCWJSi`IJ
RR x`}E9,
`]K,'i{ R RI (=Hz B 总结 YO) ')&
xJvLuzUD 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。 X,>(Y8 1.模拟 qPsyqn ?Y| 使用光线追迹验证反射光束整形装置。 "w*@R 8v 2.评估 .=Pm>o/, 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。 /"(b.& 3.优化 R `;o!B}[ 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。 (JevHdI*V 4.分析 'To<T 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。 (-bRj# iH[E=
6* 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。 d2ohW | XK1fHfCEa 详述案例 >RM
0=bO
DXK yRkn6e 系统参数 Qqp)@uM^ +d =~LQ}* 案例的内容和目标 }g}6qCv7
Am#m>^!qb 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。 9#u }^t -dg} BM 
GUKDhg,W
CP +4k.)*O 
Hr8\QgD<4 YQ52~M0L 
R3$@N _~PO 规格：像散激光光束 B jYOfu'~z \kxh#{$z? 由激光二极管发出的强像散高斯光束 "rVU 4F) 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动 fc3 Fi'^
{h,_"g\V 
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&1=g A.ZR ,pn ) >
规格：柱形抛物面反射镜 ^dh=M5xz) gNTh% e 有抛物面曲率的圆柱镜 ^=k {~ 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面 _y>}#6B 曲率半径等于焦距的两倍 bCzdszvg3 1ADv?+j)A/ :xM}gPj" 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型） )PwQ^||{ 4 x( F&0 对称抛物面镜区域用于光束的准直 > <X $# 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型） YN/u9[=` 离轴角决定了截切区域 0:. 6rp <iR Wd 规格：参数概述（12° x 46°光束） 9T$u+GX' ~ibF M5m 
TQ?#PRB KYf;_C,$ 光束整形装置的光路图 @O'I)(To kB
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8]HY. $E pD[pTMG@$ 光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。 ^( DL+r, 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）。 p= vV4 C: K>$qun?5 详述案例
{U^j&E @C=m?7O98 模拟和结果 HJ", Sle e :BDQU 结果：3D系统光线扫描分析 u3ST; 首先，应用光线追迹研究光通过光学系统。 a>w~FUm* 使用光线追迹系统分析仪进行分析。 )%t7\1)B3 fq=:h\\G file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd q=+ wI"[ jI A#!4 使用参数耦合来设置系统 2
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Mb1 wYh
G%$}WA] |
自由参数： @%:E }
反射镜1后y方向的光束半径 Ok,HD7
反射镜2后的光束半径 s*.3ZS5
视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） I3PQdAs~&h
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。 9>;} /*:H
对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。 Zt_r9xs>
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;t!9 ]1 自由参数： !vVT]k[N 反射镜1后y方向的光束半径 u-:MVEm 反射镜2后的光束半径 ly=a>} F_ 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量） /=@e &e 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。 MO TE/JG C bQ4Y UBIIo'u 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
D7gHE Z vRxi&Z{? Bq;1^gtpe 结果：使用GFT+进行光束整形 OT@ yPG Mt=R*M}D0 
x;(g 3daC;;XO kT2Wm/L 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
X.eB ;w/} v^TkDf(Oz =J xFp,
Xr 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
7f
r>ZY^ 7"a4/e;^ 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
=ajLa/m' |T
y=7d , 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
=Epq%,4nG 59Nd}wPO; 
+q-c 8z sG1BNb_ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
c=aO5(i0 U6c@Et , 结果：评估光束参数 6]Z O'Nwo #C x%OIi[f GV>&g 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。
}lO
}x 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M²值感兴趣。
B\0t&dai|' 
b5 S7{"<V y! 5 :dv t 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。
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JCsK| 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）
cm ,4&x6 w5(yCyNp~ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
[xf$VkjuF sv`"\3N[ 光束质量优化 Bq{ ]Eh0% ~ k<SbFp 73)Ll"( 通常，使用合适的高斯调制光阑以用于优化M²值。 因此，我们使用测量的半径作为腰束半径（消除发散角）来生成一个高斯光束。
%"+4
D,'l 之后，将接收场转换成一个透射函数。 将该传输函数用作光阑（在一个透射函数元件中）。
F|*tNJU> ,5w]\z 结果：光束质量优化 ~#4~_d.=L rKT )!o' i*68- n 由于通过高斯孔径传播，光束显示出理想高斯形状。 因此，M²值在两个方向上几乎都是1。
0 Az/fzJlz gmDR{loX 
j.B>v\b_3 8t=3 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
O{u[+ g i7s\CY 
= ]d^3bqN file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
= hhvmo 67?n -NP 反射镜方向的蒙特卡洛公差 Oq}ip 6Hl < ,(vn 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
Z/c_kf[ `V@z&n0P6 Wp`C:H 这意味着参数变化是的正态
K( z[ } 3fl7~Lw, 
_aY. :G0+;[?N {lMq cK 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
yf?W^{^| 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
0-GKu d L20rv:W$h 
m/{Y]D{2 SBz/VQ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
&rP~`4Mkp kfRJ\"`
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）
p+)C$ 2YK # '8)u)! 
P#v^"}.Wd O{n C^`X 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。
{6:&
%V B>@D,)/bT5 总结 BvQUn@ XE %z2oDAjX 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
PU"S;4m 1.模拟
WAv@F[ 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
0$l&i=L 2.研究 ,#
eO& 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
s&0*'^'O[S 3.优化 R}hlDJ/m- 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。
jceHK l 4.分析 ,O2q+' & 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
G>JxIrN0 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。
;AltNGcM F'Xl J M 参考文献 61kO1,Uz* [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).
7BS/T pJn>oGeJ& 进一步阅读 $82zy q .01TTK * 进一步阅读 FbuKZp+ 获得入门视频
g4Bg6<; - 介绍光路图
X tR`? - 介绍参数运行
oW8;^u 关于案例的文档
[&Lxz~W][ - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
TtZrttCE6 - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
CM"s9E8y - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
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