光束传输
系统（BDS.0005 v1.0）
ra6o>lI(, 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
hOk0 0az <4` eQ XFqJ 'R 简述案例
|m
G7XL, P0GeZ02] 系统详情
:Vuf6,
光源 Q^_/ By@ - 强象散VIS激光二极管
KL ?) akk 元件
o>lms t%< - 光束准直和整形的反射元件（例如圆柱抛物面镜）
U 4,2 br> - 具有高斯振幅调制的光阑
A74920X`W 探测器
D'[Uc6 -
光线可视化（3D显示）
Ufid%T' - 波前差探测
NgZUnh3{ - 场分布和相位计算
b1`r!B, - 光束
参数（M2值，发散角）
2+"r~#K* 模拟/设计
lWZuXb,G - 光线追迹（Ray Tracing:）：基本系统预览和波前差计算
Y)I8eU{Wl( - 几何场追迹+和经典场追迹（Geometric Field Tracing Plus (GFT+) & Classic Field Tracing）：
f [o%hCS 分析和
优化整形光束质量
GdmmrfXB 元件方向的蒙特卡洛公差分析
USPTpjt8R ^ 4hO8 系统说明
k|E]YvnfG G*}F5.>8( 
2#5,MP ~r 模拟和设计结果
IB5BO7J 9.+/~$Ht
?.bnIwQe 场（强度）分布 优化后
数值探测器结果
g!J0L7 i| n(;:*<Rh 
+a+` Z>
y2yKm1<Ru< H{G{H=K _ 总结
_}Ps(_5D 6[dur'x 实现和分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
GG6% bF 1.模拟
yJ2B3i@T 4 使用光线追迹验证反射光束整形装置。
E;(Rm>lB 2.评估
w
YNloU 应用几何场追迹+(GFT +)引擎来计算场分布和评价光束参数。
Ca>& 3.优化
/2uQCw&x- 利用一个具有高斯形状孔径函数的光阑和经典场追迹引擎来优化M2参数。
;[0 &G6g 4.分析
GH 4iuPh] 通过应用蒙特卡罗公差来分析方向偏差的影响。
i%{X9!*%TX DPDe>3Mi[ 对于复杂的光束整形装置，特别是离轴系统，可以使用VirtualLab来进行高效的模拟和分析。模拟过程中，根据情况应用不同的模拟引擎。
\NL+} cL/ WQePSU 详述案例
P\R27Jd "4xfrlOc 系统参数
Zm TDQ`Ix 8HErE< _( 案例的内容和目标
V6a` `i] JhK/']R 在BDS.0001，BDS.0002，BDS.0003和BDS.0004案例中，研究了折射光束传输系统。
i^"+5Eq[D pK&I^r 
[J#1Ff; 目标是准直并对称由激光二极管发射的高斯光束。
H=MCjh&$q 之后，研究并优化整形光束的质量。
(k "_># % 另外，探讨了镜像位置和倾斜偏差的影响。
2z0n< ` h 8 @ 模拟任务：反射光束整形设置
7*H:Ob) 9k 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。
\x\
5D^Vc rjWLMbd.< 
wsfd8T4 <9A@`_';Aq 
wzWbB2Mb5 zsl,,gk9Y 规格：像散激光光束
N=1JhjVk" 3 /6/G}s 由激光二极管发出的强像散高斯光束
mj,fp2D;% 忽略发射区域在x和y方向可能发生的移动
jx`QB')kX -7]Xjb5 
= bt]JRU !Jfs? Hy 
> H|` y@] deX5yrvOie 规格：柱形抛物面反射镜
8cg`7(a Vy)hDa[& 有抛物面曲率的圆柱镜
;e8V
+h 应用用锥形常数.-1来实现锥形界面
F
phDF 曲率半径等于
焦距的两倍
!^fa.I'mM Wa"(m*hW HL{$ ^l#v 规格：离轴抛物面圆柱镜（楔型）
T~8
.9g V _^@ 对称抛物面镜区域用于光束的准直
Z'v- F^ 从VirtualLab元件目录使用离轴抛物面镜（楔型）
" dh:-x6 离轴角决定了截切区域
q!, zq K`:=]Z8 规格：参数概述（12° x 46°光束）
tJI,r_ V,7%1TZ: 
:Og:v#r8= *<V^2z$y_ 光束整形装置的光路图
4N? v
kUHE\L.Y] 
``Q 2P% 由于VirtualLab的相对坐标系统，则仅需设置z方向的距离。
,5k-.Md>2* 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。
M~T.n)x2 &%aXR A#+ 反射光束整形系统的3D视图
mXWTm%'[ wVK*P
-C 
dx_6X!=.J
:S
% lv
光学元件的定位可以通过使用3D系统视图来显示。
1 qdZ c_x 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）。
D #2yIec \&xl{64 详述案例
e, 1u zzpZ19"`1 模拟和结果
**_&i!dtL h\[\\m
O 结果：3D系统光线扫描分析
0au)g!ti 首先，应用光线追迹研究光通过
光学系统。
L wJ0 使用光线追迹系统分析仪进行分析。
8|1^|B( l h+UnZfm file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
"AueLl) >%b\yl%0 使用参数耦合来设置系统
> O9 sk H6kf
K5, 自由参数：
;I6s-moq_ 反射镜1后y方向的光束半径
{i{xo2<1" 反射镜2后的光束半径
H:&?ha,9 视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
UV7%4xM5v 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。
=5]n\"/ 对于此计算，应用了嵌入的参数耦合功能。
P!g-X%ngo Qu*1g(el!o 
K\! #4>yd my\&h CE 
LC69td& ReB7vpd 自由参数：
RNJ FSD. 反射镜1后y方向的光束半径
3 pWM~(#>- 反射镜2后的光束半径
f |3q^wjs
视场角，这决定了离轴取向（这些值保存为全局变量）
+",S 2Qmo 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。
dz9Y}\2tf Q c-(*} 如果这个例子评估20个参数，那么返回到光路图（LPD）。
[uuj?Rbd Wsz0yHD[` *M M#Z?mP 结果：使用GFT+进行光束整形
?H|T& 6 6 OYwGz 
iDb ;_? 7 _jE[10 现在，利用几何场追迹+计算生成的光束剖面。
9 t:] L&2u[ ml 由于离轴设置，光线分布显示出轻微的不对称形状。
$n=lsDnhQ )$M, Ul 不过，场分布几乎是对称的（最好是使用伪色（false colors））。
%uDG75KP{ \ {|ImCH 产生的相位是完全平坦的，产生的波前误差：
T|4snU2M cgZaPw2
bw 
_2Zp1h, &_-](w` file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_01_RT.lpd
f[~1<;|- Q\_{d0
0 结果：评估光束参数
-AD2I {C o
\L!(hm 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。
6 vs 3O
在这个例子中，我们对光束半径，发散角和M2值感兴趣。
Ww9;UP'G 
I<\
'% [I+9dSM1t 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。
O pg#*w%- 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）
lu\o`m5wF 4YA./j%' file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_02_BeamShaping.lpd
=
1|"- h SV@TL 光束质量优化
VV3}]GjC PXYE;*d( 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。
2: ^njqX 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）。
pa/9F[ aq>?vti1D 结果：光束质量优化
:h5J r 8 GrI& ?=S^ 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。
@'jf KW CY"i-e"q<Q 
5~VosUp e7 G?)vWM`j 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。）
nfE@R."A SG]K 
<4X?EYaTq file: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_03_BeamOptimization.lpd
' p} `i/ Bq }x9C&< 反射镜方向的蒙特卡洛公差
I 48VNX J\`^:tcG 对于公差，在随机模式下我们使用参数运行特性。
d0UZ+ RR# 9C}qVoNu 这意味着参数变化是的正态
x7ATI[b[ "dCzWFet 
&^QPkX@p 9%,;XQ 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。
v|@1( 这意味着，波前对对齐误差很敏感。
YMz BAf W
kkxU.xXE 
*g7DPN$aQ *@M3p}', M file used: BDS.0005_Reflective_BeamShaper_04_Tolerancing.run
McP.9v}H0_ s (PY/{8 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）
X#J6Umutm 1i-[+ 
,b.n{91[]x qu{mqkfN> 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。
h_ ZX/k P[i\e7mR 总结
(2txM"Dja :YvbU Y 实现并分析高性能离轴和无色散反射光束整形装置。
;93KG4a 1.模拟
O% $O(l 通过使用光线追迹来验证反射光束整形设置。
%$n02"@ 2.研究
'`o[+. 为了计算场分布和评价光束参数，应用几何场追迹+（GFT+）引擎。
k|j:T[_ 3.优化
T VkcDS 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。
(V9h2g&8L 4.分析
rg)h 5G 通过应用蒙特卡罗公差来分析取向偏差的影响。
htHv& 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。
,U=E[X=H x s1bxJ_R 参考文献
3M*Y= ?pI [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).
j
jY{Uq &oN /_7y 进一步阅读
n7iE8SK|k &o.iUk 进一步阅读
-Bv 12ymLG 获得入门视频
d]7*mzw^j - 介绍光路图
Mq+< mX7 - 介绍参数运行
BjZ>hhs!* 关于案例的文档
%$9:e
J? - BDS.0001: Collimation of Diode Laser Beam by Objective Lens
(,tHL - BDS.0002: Focus Investigation behind Aspherical Lens
_S5gcPcF" - BDS.0003: Optimization of a Lens Doublet for Laser Beam Focusing
qJ Gm8^b- - BDS.0004: Focal Beam Size Reduction by Generating a Bessel Beam using Axicon Pair
