光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
# S|On[Q ! 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
B\dhw @hM n*~#]%4 ?.Ml P,/K 简述案例
Kc3/*eu; |g\CS 4$ 系统详情
a=[|"J<M
光源 @d ^MaXp_P - 强象散VIS激光二极管
? J"Y4,{ 元件
{#+'T 13sx - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
OJ7y - 具有高斯振幅调制的光阑
grDz7\i: 探测器
)9!J
$q -
光线可视化（3D显示）
`KP}pi\ - 波前差探测
+J !1z - 场分布和相位计算
d%1 Vby - 光束
参数（M2值，发散角）
6x@]b>W 模拟/设计
7#g<fh - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
J =#9eW - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
!:D,|k \m 分析和
优化整形光束质量
Mi[,-8Sk 元件方向的蒙特卡洛公差分析
y8|}bd<Sr I=8MLv 系统说明
8Kz H
- b WB&8 &p 
ZB,UQ~!Yr 模拟和设计结果
G?+]BIiL EmV ZqW 
fp"GdkO#}i 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
\=@4F^U7` ? z K>[L 
t3.I ` Z 
S|B S;VY 1[".
z{V3* 总结
t`x_@pr /5:qS\Zl 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
pf_`{2.\uO 1.模拟
Sr6? ^>A@t 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
CDFkH 2.评估
p;vrPS 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
.wuRT>4G)G 3.优化
71HrpTl1fw 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
9Cw !< 4.分析
CSE!Abg 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
[i]%PVGW 8j@ADfZ9 对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。
S%w67sGl4n 9OM&&Ue<E 详述案例
zXeBUbVi |Fzt |
\ 系统参数
R!_1 *H$ {
*Wc`ZBY 案例的内容和目标
au7@- _ :,MI,SwnS 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
$/P\@|MqYQ d|$-l:(J 
j(Tk6S 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
1);E!D[ 之后，研究并优化整形光束的质量。
-k@Uo( MB 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
h,2?+}Fn yTU'voE.| 模拟任务：反射光束整形设置
(FNX>2Mv 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。
RS
Vt 259:@bi!y 
vb k4 Oat
#% 
[AAIBb +U unkA% x{W; 规格：像散激光光束
;+VHi% 5Z R&1 xZFj 由激光二极管发出的强像散高斯光束
1?#Wg>7' 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
q&EwD(k T`| >oX 
q3Y49d 7o`pNcabtz 
coc :$Sr% ' ui`EL % 规格：柱形抛物面反射镜
[E/^bM+ 0,[- 4m 有抛物面曲率的圆柱镜
C~VyM1inD 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
d Y]i AJ 曲率半径等于
焦距的两倍
x9H
qc9q Y]HtO^T2 Ya,(J0l 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
l`RFi)u~& [wjH;f>SQ 对称抛物面镜区域用于光束的准直
\E2S/1p 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
~Uaz;<" j0 离轴角决定了截切区域
F5f1j]c }zV#?;} 规格：参数概述（12° x 46°光束）
k X]p;C J~rjI24 
U7Pn
$l2! |:d:uj/ 光束整形装置的光路图
`v$B ib) b 'y W+ 
v`u>; S_ 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
qt#4i.Iu+ 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。
bR?
$a+a) %c,CfhEV%& 反射光束整形系统的3D视图
m3iB` qy~@cPT 
3+#
"4O d9uT*5f
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
Y@M
l}43 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）。
U})Z4>[bvt N&+DhK w 详述案例
G,b1 u" DM@&=c 模拟和结果
>iB-gj}>X ;X2 (G 结果：3D系统光线扫描分析
.TWX ,# 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
<S%kwS 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
Qz?r4kR k34!*(`q file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
" ^:$7~%bA h ^6Yjy 使用参数耦合来设置系统
=D~RIt/D i#y3QCNqf^ 自由参数：
-, #LTW<. 反射镜1后y方向的光束半径
{^n\
r^5 反射镜2后的光束半径
k/ ZuFTN 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
E$8 4c+ 由于功能原理，所有系统参数（距离，焦距，直径）可以由光束参数分析计算。
:,(ZMx\ 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
5&*B2ZBzH A?sU[b6_ 
V2?&3Z) W H/ 6GD,0 
~_Mz05J-\_ nob^
I 5? 自由参数：
`L=$ ,7` 反射镜1后y方向的光束半径
iy_\1jB0 反射镜2后的光束半径
J]| lCwF 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
\aO.LwYm;: 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。
8QGj:3 6|D,`dk3U 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
: Gz# 4k !zNMU$p O/=i'0X v 结果：使用GFT+进行光束整形
8oj-5|ct j\ SW~}d9 
*AU"FI> V e
r;3TG~ 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
pQ Y.MZSA .1F^=C.w 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
pMX#!wb Bu$GC SrX 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
Ng} AEAFp XHlx89v7 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
QAy9RQ0 zoV-@<Eh 
)ccd fSe hFjXgpz5 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
[T.BK: :oH" 结果：评估光束参数
z A xwM-` -vfV;+3 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。
x6ig,N~AO 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
o?J>mpC 
hsQrHs'k ?7cF_Zvve 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。
ntSPHK|' 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）
u= K ?K ^J>jU`)CJ file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
[D H@>:"dd imtW[ y+4 光束质量优化
B K'!WX U RW'*\Xjb 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。
OZ q/ '* 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）。
g'`J' 6Pn eD, 7gC - 结果：光束质量优化
eb)S <%R / 1px:(8]{ 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。
VB 8t"5 BcT|TX+c t 
) ( &g\ P$)9osr 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。）
2I'\o7Y 4.3Bz1p&# 
'B"kUh%3$5 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
t?v0ylN @Ns^?#u~ 反射镜方向的蒙特卡洛公差
x]k^JPX P,O9On 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
#TUsi ,jG I/GZ 这意味着参数变化是的正态
N
L]:<FG )*^PMf 
dox QS ohS (0"9562 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
/ vge@bsE 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
+gOCl*L ]; 1z%. 
1H @GwQ|<=
c*_I1}l file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
HqU"i Y>b j*$GP'Df3 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）
X63DBF4A q]5"V>D \ 
-Tk~c1I#` _qmB PUx 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。
Xig+[2zS ,KIa+&vJW@ 总结
)j@k[}R#g x-U^U.i@ 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
xN}P0 1.模拟
&^4W+I{H 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
|zvxKIW;wd 2.研究
^?toTU 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
}x-~>$:" 3.优化
[ WZ<d^L 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。
f b_tda",} 4.分析
}<&g1x'pa 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
FWdSpaas Q 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。
J
C1T033 r vUgLWd 参考文献
8R:H{)o~s} [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).
!HqIi@>8 t ZU"Ud 进一步阅读
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8+
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