光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
(w zQ2Dk 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
A?0Nm{O;3v FC4 wwzb x|29L7 i 简述案例
BL4 -7 A/?7w
系统详情
Fs^Mw
g o
光源 .eC1qWZJpd - 强象散VIS激光二极管
fd9k?,zM 元件
o,wUc"CE - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
\^1E4C\": - 具有高斯振幅调制的光阑
Zgb!E]V[ 探测器
= WJ NWt> -
光线可视化（3D显示）
>5
BJ3Hf - 波前差探测
bQ5\ ]5M - 场分布和相位计算
4`=m u}Y2 - 光束
参数（M2值，发散角）
G]aOHJ:. 模拟/设计
-DAlRz#d, - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
<\S:'g"( - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
R/a*LSe@& 分析和
优化整形光束质量
q75s#[<ap 元件方向的蒙特卡洛公差分析
uvS)8-o&F ] }X 系统说明
6d~'$<5on Q=dy<kg'] 
-D~%|).' 模拟和设计结果
Z$? # {(?4!rh 
-H-~;EzU 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
+qdEq _ m PTV:IzoW 
Ef{V p;] 
;xn0;V'= k~z Iy;AZ 总结
wwcBsJ 1{ ku
M$UYTTX 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
o[D9I
hs 1.模拟
3HK\BS 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
]
@fk] ]R 2.评估
E&:,oG2M 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
}W,[/)MO 3.优化
% %UE+u @J 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
q- d: TMkc 4.分析
IEvdV6{K 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
X#;bh78&- "tp Sg 对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。
ht}wEvv ?!/kZM_ts 详述案例
B4 }bVjs IV) j1 系统参数
{H'Y `+ sdmT 案例的内容和目标
7 "D.L-H cj5+N M" 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
;i +#fQO7Q x'R`.
!g3 
ko i^l`B$ 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
SMK_ 6?MZ 之后，研究并优化整形光束的质量。
`Ryp% Bn 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
E8&TO~"a]e }*"p?L^p{ 模拟任务：反射光束整形设置
\1Em`nvOX 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。
+^T@sa`[I 7. ;3e@s 
[}] Q?*_ BIL Lq8) 
;sFF+^~L P7/X| M z 规格：像散激光光束
_zMW=nypdx .#pU=v#/[ 由激光二极管发出的强像散高斯光束
k|d+#u[Mj@ 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
u> 7=AlWF- =odFmF 
}RqK84K $ iz|\m 
(dSL7nel;L *~i
])4 规格：柱形抛物面反射镜
'2^Q1{ :\ #Mw8^FST 有抛物面曲率的圆柱镜
2jhxQL 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
wj0\$NQ =x 曲率半径等于
焦距的两倍
q5:N2Jmo?z I,8Er2;) S{m% H{A! 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
E< fV Z, HHsmLo c4 对称抛物面镜区域用于光束的准直
d6 5L!4 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
ekCC5P! 离轴角决定了截切区域
T Rq6NB L;I]OC^J 规格：参数概述（12° x 46°光束）
92K Rb;c G'A R` "F 
wAW5
Z0D LFtt gY 光束整形装置的光路图
7Jho}5J D}X\Ca"h 
3$9W%3 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
/t"3!Z?BOv 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。
W 6/yn B`J~^+`[* 反射光束整形系统的3D视图
Ciz X <Cr} em N*l]N 
,\%c^,HLJ )P |),S,;Z
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
oM`0y@QCf 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。
0KOgw*>_ p= } Nn( 详述案例
@ J`"[% U ,nDaqQ-C!! 模拟和结果
:Fvrs(
x TbW38\>.R 结果：3D系统光线扫描分析
>I&5j/&}+ 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
AkQ ~k0i}b 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
J nM["Q=` v^ V itLC file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
j# q-^h3H 0Z{ZO*rK 使用参数耦合来设置系统
B ,epzI ut7 zVp<" 自由参数：
^3L0w}# 反射镜1后y方向的光束半径
SKsKPqz 反射镜2后的光束半径
N5b!.B x-w 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
j+
0I-p 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。
A{D];pE` 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
%M|hA#04vZ j HJ`,# 
?+}_1x` eV?2LtT#5 
2!= f hN O[JL+g4
自由参数：
I(BQ34 q 反射镜1后y方向的光束半径
4u})+2W 反射镜2后的光束半径
{[?(9u7R 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
n]o<S+z 基于光束发散角和直径（x和y方向）焦点，可以计算并设置反射镜的直径和距离z。
X?qK 0 fS 6gu!bu`~ 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
n[Y~] .jjG(L A*547=M/(j 结果：使用GFT+进行光束整形
fHd#u%63K mSl.mi(JiZ 
> jc [nk &(l9?EVq1 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
0[?Xxk}s0 fSvM(3Y<Qh 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
%S^8c [ ~c|mOk 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
jLHkOk5{: @>Km_A x 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
x\G'kEd 5f K_Aq{ 
_H7x9
y= PmEsN&YP] file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
Zw
S F^ O`t&ldU 结果：评估光束参数
]:k /Y$O2 ^KT Y? 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。
[MM~H0=s 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
a fW@T2 
['tY4$L( e)?
.r9pA; 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。
y'nK>)WG4 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）
nB SYsp{ j@3Q;F0ba file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
X[BIA+6 .:%0E`E 光束质量优化
+.b,Aq J/ 9`X\6s 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。
? _9 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）。
>7T'OC w4{<n /" 结果：光束质量优化
] dmrkZz: ~1AgD-:Jz 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。
\aUC(K~o\; By",rD- r 
W UXx;9 > :g=qz~2Xk 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。）
.|>3k'< l
goOCu 
Y0dEH^I file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
' ;FnIZ W ]?G}Q; 反射镜方向的蒙特卡洛公差
E ib5 a;qryUyG 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
~#[yJNYQ i0kak`x0 这意味着参数变化是的正态
Q }K"24`= G3vxjD<DMW 
P90 y I 'ud{m[| 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。
li'YDtMKCY 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
$)ij N^hV o ! Ieb 
6"5A%{ J 8hz^% vm file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
:vqgGKml$ Ls$D$/:q? 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）
U} e!Wjrc r,1!?s^L 
O1U= X:Zl RYQR(v 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。
v zs)[AD +yH7v5W 总结
TA`1U;c{n *ebSq) 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
c%2QZ C 1.模拟
;!mzy b* 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
M 4oy 2.研究
Vvn2 Ep 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
vrhT<+q 3.优化
y^,1a[U. 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。
oWim}Er= 4.分析
rq/yD,I, 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
:bu/^mW[ 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。
T@:Wp4>69 L_uVL#To 参考文献
7Oa#c<2] [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).
RK'\C\gMDu tqvN 0vY5 进一步阅读
0d"[l@U U0 nwB_8 mN| 进一步阅读
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[' X]R: 3h - 介绍参数运行
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uGf@ - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
~q@|l 3?$ - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
<CYd+! ( - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
