光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
$8yGY 二极管
激光光束使用无色散离轴反射装置进行准直和整形
PAWr1]DI OB
I8~k uP'w.nA&2 简述案例
A ** M"T 3,cE/ Ei 系统详情
y2hFUq
光源 %JH_Nw.P - 强象散VIS激光二极管
UFY~D"% / 元件
X]^E:'E! - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
GWE0 UO} - 具有高斯振幅调制的光阑
] GP z>k 探测器
zxmI/]3+/ -
光线可视化（3D显示）
PC(iqL8r - 波前差探测
`]I5WTt*X - 场分布和相位计算
NCpn^m)Q} - 光束
参数（M2值，发散角）
9h0,L/;\ 模拟/设计
[<1+Q = ; - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
3f.Gog - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
Am` A[rV0 分析和
优化整形光束质量
N~<}\0 元件方向的蒙特卡洛公差分析
?)QBJ9F VKJ~ZIO@A 系统说明
6)2M/( 6rC P]YnF 
&"6ktKrIg 模拟和设计结果
!U ~#H_ L<>NL$CrN 
zc~xWy+ 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
8 q[WfD F?AfB[PM 
yl +)I 
1?$ !y `Ta(P30
总结
7,VWvmWJex Nc Mq>n 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
8GR r f2 1.模拟
W ]MJ!4 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
'#
2J?f' 2.评估
}uj'BO2? 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
2*DS_ =6o 3.优化
=WR U<`\ 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。
u,9U0ua@; 4.分析
>w# 3fTJ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
dnc!=Z89 _ll aH 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。
[ |O6n"' y:zT1I@> 详述案例
b'"% -"fq34v 系统参数
[ +@< T) zk~ r KQ, 案例的内容和目标
|3o@I uGt BFu9KS+@) 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
`l#$l3v+ #{cp G2Rs 
O*CX@N e
目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
{!bJ.O
l 之后，研究并优化整形光束的质量。
{NqGWkGt*b 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
?
NK} q\$ 2n:J7PGD 模拟任务：反射光束整形设置
l q9h Dn[p 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。
yC$7XSr= >{=RQgGy 
2 ~'quA I+Cmj]M s0 
3g oJ(XI &y+*3,!n8 规格：像散激光光束
H;L&G|[ @= 9y5r 由激光二极管发出的强像散高斯光束
?bA]U: 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
{XW>:EU'N SkUP9 
jd'R2e WF0>R^SpZ 
?OdA`!wE .H.v c_/ 规格：柱形抛物面反射镜
^/,yZ : TC}u[kM 有抛物面曲率的圆柱镜
B 1.@K } 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
Lj,%pz J 曲率半径等于
焦距的两倍
T ua
@w+
K rzM] x ~'mhC46d 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
|th )Q U\6DEnII?! 对称抛物面镜区域用于光束的准直
[AwE 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
>f/g:[ 离轴角决定了截切区域
31Du@h8YX dj]N 59< 规格：参数概述（12° x 46°光束）
C" WZsF^3 ^Y |s^N 
Rw% KEUDm {`55nwd 光束整形装置的光路图
u9(AT>HxT )YnN9 "8 
X2Mj|_#u 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
(5
hu
W7v 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。
u>#'Y+7 (#lS?+w) 反射光束整形系统的3D视图
OwUbm0)h^V =G6@:h= 
nX'.'3 !y.7"G*
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
_aYQ( F O 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）。
y
6< tV. $_kU)<e3 详述案例
"?-s
Qn Tr)[q> 模拟和结果
~~mQ Sq%R 结果：3D系统光线扫描分析
,fRb6s- 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
;{RQ+ZX'[ 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
)&K%Me g> f394j file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
KW\`&ki zT"#9 "[" 使用参数耦合来设置系统
x`&W[AA4 tTal<4 自由参数：
,@xZuq+K< 反射镜1后y方向的光束半径
t[Q\T0E 反射镜2后的光束半径
1)y} .y5S 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
/2 (F 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。
|EunDb[Y 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
b._pG (o1 |>)mYLN!y 
J5wq} <8 qM'5cxe 
lx SGvvP4 %0QYkHdFR` 自由参数：
h.NA$E?7 反射镜1后y方向的光束半径
4[D@[k As 反射镜2后的光束半径
+FI]0r 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
lCXo+|$?s 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。
$l=m?r= K 9c:K/H 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
&>SE9w/ ?o L-yC 'C *P>F#
~X 结果：使用GFT+进行光束整形
<>cajQ@ ~9=g" v 
*" wsMO WD<M
U ] 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
C' Q} Z_ bA:abO 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
6Y=)12T o/&Q^^Xj^~ 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
Y&nY]V V WukD|BCC 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
c ;VW>&,B q4{ 6@q 
9#+X?|p+0 eG.?s ;J0 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
W>. qGK|l I?gbu@ o 结果：评估光束参数
z@ 2NAC o&zeOJW 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
x(A .^Yz 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
yfj<P/aA+ 
R b'"09)$ ]`%cTdpLj 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。
!"Kg
b;A 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）
&W1c#]q@r !^w+ <p file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
"Mth<%i cYK3>p
A 光束质量优化
/J^yOR 9 ~e|~c<!z8@ 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!O39}> 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）。
Y:O%xtGi 9i n& \ 结果：光束质量优化
:2La, f -bVcWI 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。
P:=3;d{v I%|W
O*x 
HA| YLj?|g uCx\Bt"VI 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。）
mhL ,:UE 6:Ra3!V"v 
7 yK
> file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
13Q|p,^R t ;(kSg. 反射镜方向的蒙特卡洛公差
Pl
U!-7 z"|^Y|`m 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
C;_10Rb2ut Eg>MG8 7 这意味着参数变化是的正态
6tVB}UKs m3 ,i{ 
-[Q%Vv!8 RV-7y^[]^ 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。
-3A#a_fu 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
B+ +:7! Ao2t=vg 
HKV]Rn ht ` !@B file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
+v/_R{ M *:wu{3g}M` 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）
w[t!? (
A~u-Iv(U G} d@^9FkE 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。
bmFnsqo lIz"mk
总结
1-4W4"# O.Z<dy+ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
0@vSl%I+ 1.模拟
y]yp8Bs+ 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
WO iw 0 2.研究
ki48]#p 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
46Vx)x X 3.优化
6Dwj^e0 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。
1d,;e:=j 4.分析
Y;G+jC8
通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
"aHA6zTB 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。
b$[O^p9x 1jO}{U 参考文献
P
>HEV
a [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).
lOYz o f
0D9Mp 进一步阅读
l*rli[No dX?8@uz u 进一步阅读
%i:S f 获得入门视频
Z7lv |m& - 介绍光路图
0P_qtS - 介绍参数运行
3!ZndW SHV 关于案例的文档
l@Uo4b^4x - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
g)nsP - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
S jgjGJw - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
C vS}U% - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
