光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
&v9PT!R~ 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
: {N3o: SiuO99'nV }Mb'tGW 简述案例
iB`WXU 1- ]x 系统详情
=
a.n`3`Q
光源 7E75s)KH - 强象散VIS激光二极管
b{|/J <Fe 元件
a9EI7pnq - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
dG~B3xg;5i - 具有高斯振幅调制的光阑
|3T|F3uEX
探测器
:: 72~'tw -
光线可视化（3D显示）
>->xhlL* - 波前差探测
b} U&bFl - 场分布和相位计算
]I' xLh` - 光束
参数（M2值，发散角）
"1`i]Y\' 模拟/设计
,Qi|g' a - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
% K7EF_% - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
DdS3<3]A 分析和
优化整形光束质量
O<d ?'{ 元件方向的蒙特卡洛公差分析
ZNC?Ntw CT:eV7<>s 系统说明
QGz3id6 $*)(8C l 
~CdseSo 9 模拟和设计结果
6 k=Wt7C rIWN!@.J 
-MW(={# 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
p$o&dQ=n[ =|V]8 tN 
<QW1fE 
f}ij=Y9 Qbt>}?- 总结
H6C Gc0NS+ 7
} MJK) 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
U W)&Eky 1.模拟
|VR5Q(d 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
+xdFk c 2.评估
DHNii_w4v 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
SU}oKii
/ 3.优化
*7fPp8k+Z; 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。
?gMrcc/{ 4.分析
3) Awj++ 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
+ :Q/<^Z 5b4V/d*
' 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。
6V6g{6W,/ ,~ ?A.
5 详述案例
OO+#KyU 70*iJ^| 系统参数
#`)-$vUv^f `k%#0E*H 案例的内容和目标
Qufv@.'AY S9#N%{8P 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
oUKbzr/C z,x"vK( 
QpTNU.v5f 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
Y^m=_*1g5 之后，研究并优化整形光束的质量。
gw"l& r 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
o@` E.4 #|1QA3KzO 模拟任务：反射光束整形设置
=X5&au o 引入的反射光束整形装置是基于一个反射镜系统，此系统由两个抛物面圆柱反射镜镜与抛物面截面反射镜组成。焦点距离和镜子的位置取决于输入光束的发散角。
~
2oP, @ ZP Tf>J} 
D!T4 k]^ 9Kx:^~}20o 
jh ](s U m7eIhmP 规格：像散激光光束
u0KZrz <Jrb"H[ T" 由激光二极管发出的强像散高斯光束
*vE C ,) 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
5Zm_^IS 4_0/]:~5 
n)! _HNc9 6$<o^Ha*R 
s1$#G !' ugPI1'f 规格：柱形抛物面反射镜
ko> O ~@r e+ w 有抛物面曲率的圆柱镜
:k/U7 2 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
"g1;TT:1~ 曲率半径等于
焦距的两倍
!!O{ ppM VgTI 2 CWsv#XOg] 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
g* .(!
! _ rVX_
对称抛物面镜区域用于光束的准直
NK hR%H 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
nGgc~E$j 离轴角决定了截切区域
G ZVl384@ Z DJWd=E 规格：参数概述（12° x 46°光束）
Cwf$`?|W W&f Py%g
xxcDd_z Vy~$%H94 光束整形装置的光路图
5(`GF| +p6\R;_E 
`0sk2fn 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
7[0k5- 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。
'c{]#E1} JP*mQzZL 反射光束整形系统的3D视图
Y[?Wt /O; |Z| xM 
8\
;G+ x%ag.g2I
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
!Y(qpC:$ 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）。
K05Y;URbd #e2 69FwN 详述案例
5mVu]T` %GiO 1:t 模拟和结果
=U`c
}dhS i3j jPN! 结果：3D系统光线扫描分析
R3 `W#` 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
,)G+h#Y[* 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
%,D%Q~ (kOv file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
<y O9j =Fl4tY#X 使用参数耦合来设置系统
M= _CqK* f(o`=% k8 自由参数：
Jo+C!kc 反射镜1后y方向的光束半径
4aKy]zPoE 反射镜2后的光束半径
o?+e _n= 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
.]c:Zt}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。
4\es@2 q 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
O G}&%NgH Y
@&nW 
--)[>6)I B*N 8:u 
&r! >2$B\ )!72^rl 自由参数：
kcUt!PL 反射镜1后y方向的光束半径
S @($c' 反射镜2后的光束半径
JdEb_ c3S 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
2F7R,rr
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。
@$G
K<jl 0k<%l6Bq 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
&H{>7q#r 1bs95Fh9Q <sOB j' 结果：使用GFT+进行光束整形
CFxs`C^ dUSuhT 
}cmL{S >z$|O> j 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
S3cQC`^ YO+d+5 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
u\?u}t v Fj4:_(% nG 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
tjt#VFq ? *n5g";k| 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
&pl;U\dc*a oGJI3Oh 
8+F2
!IM | 'G$}]H file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
XWV ~6" omP 7| 结果：评估光束参数
H5)WxsZ R r; !us ~ 从生成的整形光束场分布，可以评估光束参数。 可以直接通过使用探测器界面实现。
4R6 .GO 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
r$zXb9a|< 
s]OXB {M +.St"f/1 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。
,0xN#&?Ohh 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）
G>"[ nXmcu u e~1144 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
Jo]g{GX[ [$X(i|6 光束质量优化
F!8425oAw )DMbO"7 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。
lom4z\ 6 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）。
` (<>` GEgf_C!%@ 结果：光束质量优化
LBR_Q0EP @P/{x@J 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。
UQ y+ &;#5 $[ e*0!e 
J u7AxTf~
R? R6|4 然而，光束半径是略有减少。（光束半径显示在最后一张幻灯片是由于其偏离了理想高斯。）
K\PS$ RIlPH~
@VFg XN file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
f,*e ?9@;s N !:& $z- 反射镜方向的蒙特卡洛公差
WD]dt!V% 6}0#({s:R 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
h 9/68Gc?6 3? "GH1e 这意味着参数变化是的正态
@ M-bE= JdnZY.{S0 
-.y3:^){^ $: -Ptm@ 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。
@<+(40`* 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
$xqphhBg Cv3H%g+as 
:iJ= 9 >r3Wo%F' file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
4YJs4CB \ y=,=;yv 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）
;J<kG@ KW)yTE< 
iJAW| dw} U i;o/Z3 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。
DvGtO)5._ ,}<v: ! 总结
;tj_vmZ@R 7 @ZL(G 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
&p*N8S8 1.模拟
$W)FpN;CW/ 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
/[mCK3_ 2.研究
(jXgJ" m 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
/bVI' fT 3.优化
V%+KJ}S!Z 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
_ ge3R3 4.分析
d M)fr 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
uE>}>6)b 可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模拟和分析复杂的光束整形装置，尤其是离轴系统。为此，根据情况应用不同的模拟引擎。
v{I:Wxe RNPqW,B!0 参考文献
x; N?'"GP [1]M. Serkan, H. Kirkici, and H. Cetinkaya, “Off-axis mirror based optical system design for circularization, collimation, and expansion of elliptical laser beams”, Appl. Optics 46, No. 22, 5489-5499 (2007).
NLj0\Pz|B E~24b0<7 进一步阅读
joa$Y6 ?x:\RNB/ 进一步阅读
VF4F7' 获得入门视频
TJCoID7a8 - 介绍光路图
3Z`oI#-x - 介绍参数运行
% 'P58 关于案例的文档
?qdG)jo= - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
&iuc4" ' - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
3) =$BSC% - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
\aG> (Mr - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
