光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
A"P1 B ] 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
( / N`Wu =]Ek 12. ~#j `+ 简述案例
"\V:W%23W{ oiR` \uY 系统详情
jEI!t^#
光源 lL83LhE}< - 强象散VIS激光二极管
x'
元件
ry
U0x - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
pYa<u,>pN - 具有高斯振幅调制的光阑
979L] H# 探测器
\zoJr) -
光线可视化（3D显示）
o-(jSaH :; - 波前差探测
<4>6k7 W - 场分布和相位计算
nF// y} - 光束
参数（M2值，发散角）
i?|SC= 模拟/设计
AM }OL Hj - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
t>b^S, - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
@D7cv"
分析和
优化整形光束质量
3 +#bkG 元件方向的蒙特卡洛公差分析
{wMCo , ^ ^%*2 ^ 系统说明
7*4F-5G/ p<J/J.E 
Z> &PM06
模拟和设计结果
"+AeqrYYm5 Nls |R 
r2hm`]\8M 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
! AMPA* _mO\ Nw0 
#G\)ZheG 
gReaFnm iE&`F hf? 总结
G N{.R7 2Hq!YsJ4] 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
9^}GUJy? 1.模拟
#6YNgJNk 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
BE m%x 0y 2.评估
f^]2q oN 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
.lE"N1 3.优化
AU7c =
H:? 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。
U3Dy:K[ 4.分析
1Ju{IEV 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
M`5^v 0,C y %T'e(5Ed 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。
fa!iQ fr KpK'?WhX7^ 详述案例
WIb U^WJ0 Aimgfxag 系统参数
?^6RFbke+ '7xY ,IY 案例的内容和目标
8d>OtDL a
k &rl%P 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
&KD
m5p 5 &VLq 
,0 ]) ] 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
E.BMm/WH 之后，研究并优化整形光束的质量。
N8!B2uPQ 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
O c" 2|X gfp#G,/B 模拟任务：反射光束整形设置
c y? EX~s4 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。
b _6j77 sF} E =lY 
|M+ !O93 \?}ZXKuJj 
bS0LjvY9g rv\<Q-uQ8 规格：像散激光光束
Uyv FR @ _@HMk"A 由激光二极管发出的强像散高斯光束
Q#vur o 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
Z3Vi il: =*I>MgCJ 
0BBWuNF. ZOU$do>O 
{Ynr(J. z43 H] 规格：柱形抛物面反射镜
x 2 tx{Z 3ldOOQW% 有抛物面曲率的圆柱镜
4sG^ bZ, 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
qf'uXH 曲率半径等于
焦距的两倍
iJ#sg+ +nZx{d,wt 4s3n|6 v 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
7gv kd+-* fUE jl 对称抛物面镜区域用于光束的准直
k%.IIVRx 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
*P9)M% 离轴角决定了截切区域
"y62Wo6m) xeZ,}YP) 规格：参数概述（12° x 46°光束）
I V!&jL z m_mLk$4H 
gx #TRp}- x!
Z|^q
光束整形装置的光路图
S 3.Pqp_< .( 75.^b2) 
XN??^1{J}] 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
3d
\bB ! 因为离轴抛物面镜的位置是相对于它的焦点，那么到反射镜2的距离z必须是负的。
5{j1<4zxR r"k\G\,% 反射光束整形系统的3D视图
eB5; wH mKn:EqA 
8 \%*4L' U
Tw\_s
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
X 5pp8 ~ 绿线表示生成的光轴，由VirtualLab的基础定位方法生成（仅仅设置了距离z和倾角）。
Q]66v$ )ASI 41 详述案例
c:4 i&|n IhY[c/ |i 模拟和结果
U^:+J-z{ @G^
l`% 结果：3D系统光线扫描分析
7H9&\ur9+ 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
= gOq
> ` 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
pWK7B`t OZD nU6 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
U z[#t1* #jbo!
wdg 使用参数耦合来设置系统
r +d%*D x <4D.P2ct 自由参数：
c? >@P 反射镜1后y方向的光束半径
x^xlH!Sc 反射镜2后的光束半径
0L eR#l:I 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
Xw_AZ-|1D 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。
&O7]e3E j 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
Xu2:yf4No* hZ[ ,. 
aF]4%E .\" .}4qQ 
j/ow8Jmc* y)C nH4{ 自由参数：
nj]l'~Y0 反射镜1后y方向的光束半径
.T#h5[S2x 反射镜2后的光束半径
ko2 ?q 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
zU}Ru&T 9 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。
| @! 4BA Lzm9Kh; 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
Mj2`p#5wKh $oDc Hyh$-iCa 结果：使用GFT+进行光束整形
XOe)tz
L Nb( c;|nV 
}(FF^Mh I($0&Y\De 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
PFq1Zai}n| .hPk}B/KV 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
+"
|?P /g(WCKva 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
avxr|uk lkl+o&D9 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
mmRxs1 0$ Y=6569 U2 
}Vjg>" H QGn[7JW file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
|zd+
\o = hL;Q@inb 结果：评估光束参数
rr~O6Db "Te[R%aP 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。
f=: ycd! 在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
||yx?q6\h 
>h)D~U(H ? DJ/Yw>>3 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。
UZvF5Hoe+O 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）
eO% w
i.Q @:s (L] file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
5NGQWg FWC\(f 光束质量优化
F)K&a ^jh c(ZW" 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。
U</Vcz 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）。
BLaF++Fop f(S 9>c2 结果：光束质量优化
D`hl} yr vV<} 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。
*3@ =XY7 r_>]yp 
\0 j-p z\7-v<ZS 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。）
G'# Uzwo qzk!'J3*r< 
Qz LE9 file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
Nhf@ Y}Cu {H O, d{{ 反射镜方向的蒙特卡洛公差
+,c]FAx4 /0m0"" 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
OV2/? +khVi} 这意味着参数变化是的正态
^tF lA) \JLea$TM: 
tn 38T% RoFoEp 对于这个例子，假设每个反射镜都有±0.1°的角度偏差（绝对的方向）。 由于这个偏差，整形光束的波前差明显增加。
E[NszM[P 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
u(W>HVEG xYp-Y"a. 
b9R0"w!ml
joA>-k04 file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
x1`4hB e+~@"^| 第一个随机公差的典型强度分布：（相应的均方根波前差：1.08λ，40.4λ，140λ）
4|/}~9/ vJj}$Al I 
{[ pzqzL6 2`^M OGYk 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。
[Smqe>U 1 : @4+ } 总结
y$8S+N?> tP1znJh>y 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
Cu! S|Xj. 1.模拟
]P*H,&I`# 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
* ,L e--t 2.研究
k
1l K`p 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
qm/#kPlM 3.优化
dv cLZK 通过使用显示出高斯整形孔径函数和经典场追迹引擎来优化M2参数。
M 4E|^p=5 4.分析
CH$K_\ 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
ujW C!*W(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。
bfq%.<W Z&|Dp*Z 参考文献
BU<Qp$ & [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).
]T=o >% .I I o 进一步阅读
V'FKgzd # AH gY. 进一步阅读
*X!+wK-+ 获得入门视频
6!@p$ pm)a - 介绍光路图
]+5Y\~I - 介绍参数运行
G0u
H6x? 关于案例的文档
[(; . D - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
T"DG$R,Aj - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
^|%N _ s - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
q{}U5(,{0 - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
