光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
Y' ;>O ` 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
dDlG!F_= u!1/B4!'O T[2}p=<% 简述案例
Lt>7hBe" A3s57.Z]| 系统详情
l)8sw=
光源 gaeOgP.0 - 强象散VIS激光二极管
r/AHJU3&eY 元件
(I=6N nt' - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
Q]\j>> - 具有高斯振幅调制的光阑
>L[lV_M_> 探测器
d etL jlE -
光线可视化（3D显示）
4<}A]BQVkJ - 波前差探测
&jm[4'$
*z - 场分布和相位计算
=Ahw%`/&}] - 光束
参数（M2值，发散角）
IVteF*8hU 模拟/设计
iz`jDa Q|1 - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
p>p'.# M - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
-,GEv%6c 分析和
优化整形光束质量
E5{n?e 元件方向的蒙特卡洛公差分析
SDc"
4g` 3* WS"bt 系统说明
I:t^S., ;r!\-]5$ 
cht 模拟和设计结果
ou6j*eSN c]v
+ 
}W}G X(?P 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
T
% / M=%!IT 
HV\"T(8 9 
rzV"Dm$' $l"MXx x5I 总结
2U%qCfh6| W)-hU~^OM 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
q\H7& w 1.模拟
k7Oy5$## 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
3bts7<K= 2.评估
k4R4YI"jV 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
}17bV, t 3.优化
fuyl/bx} 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。
-eL'KO5' 4.分析
QUp?i
通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
GP]TnQ<*; k1i Lnza% 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。
)ddsyFGW U Um |@ 详述案例
xjrlc9 <gcmsiB| 系统参数
la702)N{ b~as64 案例的内容和目标
\`gE u{ +H}e)1^ I 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
u]*5Ex (? :#SNpn=@ 
]xr D< 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
f0FP9t3k 之后，研究并优化整形光束的质量。
.K7C-Xn=
另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
)*
3bkKVB yFO)<GLk 模拟任务：反射光束整形设置
4:3_ER ]J 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。
6n-r R&!]Rl9hf 
^j iE9k)
[ R\=M' 
wA",SBGX I61%H9 ; 规格：像散激光光束
LP?P=c X <FOn7qf 由激光二极管发出的强像散高斯光束
Y Z\@)D; 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
e>!E=J) j l/F!Bq[*g 
H9E(\)@ ;N G1{]|Z 
@<5Tba>SC ^$}/|d( 规格：柱形抛物面反射镜
;q &0 ,B x~Cz?ljbn 有抛物面曲率的圆柱镜
(HJ$lxk<2h 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
- p^'XL*Z 曲率半径等于
焦距的两倍
4Pf+]R k- vA# N"~ qoJO 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
jYk5~<\k %-r?= L 对称抛物面镜区域用于光束的准直
NQ{-&#@/v 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
%r P ! 离轴角决定了截切区域
_'lmCj8L m:" +J 规格：参数概述（12° x 46°光束）
N-Z^G<[q. ?V?<E=13 
_T
a}B4; l_ b_-p 光束整形装置的光路图
h[, XemwX #@q1Ko!NZ 
<K,[sy&Qy 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
S2bexbp0o 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_ !%'9m>
Z:TFOnJ 反射光束整形系统的3D视图
) WclV~ F Nlx1U[ 
=G*z
5 3 [brkx3h
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
L^x5&CCwk 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）。
-`g J }E P|Mb 详述案例
)tCx5 9 X]MTa D.t 模拟和结果
~Q0&P!k N:7. :Yw 结果：3D系统光线扫描分析
Yq{jEatY{/ 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
>-eS&rma 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
U(!?d ]en {F/q{c~] file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
Z] 7tjRvq) oHk27U G 使用参数耦合来设置系统
d&?F#$> 7| mfz"M)1p1 自由参数：
^t7_3%%w 反射镜1后y方向的光束半径
y s/vI/e\ 反射镜2后的光束半径
c{ 7<H 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
CxkMhd8qz 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。
l*qk1H" g 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
3+j^E6@ PH[4y:^DN 
z41D^ }b 4':MI|/my_ 
9V.+ U7\w ZDfS0]0F 自由参数：
K` 2i 反射镜1后y方向的光束半径
aI 7Xq3 反射镜2后的光束半径
URk$}_39 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
u !M& ;QL 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。
J OPTc] }&C dsCM>2 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
ML"_CQlE7 UYH|?Jw!N L-j/R1fTvl 结果：使用GFT+进行光束整形
*Q0lC1GQ 9Il'E6
J 
,Io0ZE>`V b #e]1Q 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
aE}=^%D w{~" ;[@ 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
?l(nM+[kSL 4 ^0\dq 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
,=yOek} z_'dRw 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
Oxpo6G C" (_mW{@ 
3Sk5I% ybC-f'0 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
r!CA2iK` AwtIWH*e 结果：评估光束参数
*13g <#$ x-tm[x@;o 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。
Ct-rD7 9l 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
^kc>m$HY 
uQO(?nCi .V7Y2!4TE 整形光束在x和y方向上显示了一个几乎相同的半径。 发散角大约是4urad。
fi 5YMY d1 M2值明显高于1。（与理想高斯光束相比，高M2值是由光束偏离引起的）
cn@03&dAl H^ESA s6 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
7? +5%7- 5aa}FdUq 光束质量优化
b$PT_!d /5&3WG&<u 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。
O 0Vn";Q 4 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）。
8 .:B=A +Kxe ymwr2 结果：光束质量优化
Z3OZPxm y?[5jL|Ue 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。
MX"A@p~H u}Lc |_ea` 
b0!*mrF]6 +oE7~64LL 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。）
Iq^~ b5lk0 jA 
SJso'6 g file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
[Od>NO,n+] BERn _5gb 反射镜方向的蒙特卡洛公差
"bv,I-\ NEjPU#@c 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
Mt MvpHk Z&AHM &,yj 这意味着参数变化是的正态
45]Ym{] #|)JD@;Q 
LsuAOB 8 8<wtf]x 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。
0sq=5 B nO 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
`V?x
x q\ c #]'#+ aH 
Km|9Too 23(B43zy
file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
i{ Y=!r5r :DS2zA 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）
[Q2S3szbt6 @2 x0V]AI 
T%M1[<"Q
T4%i`<i 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。
}qgqb z&>9
s)^- 总结
_ Yb
Eo+ g=8|z#S 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
]be 0I) 1.模拟
DTX/3EN 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
rCnV5Yb0O 2.研究
B|Rpm^ | 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
~frPV8^DP 3.优化
-s?dzX 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。
a'*5PaXU@/ 4.分析
k1QpX@ 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
_qO;{%r 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。
bc0)'a\ mh!N^[=n 参考文献
eR#gG^o8 [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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