如何在OpticStudio中將高斯光整形為平頂光

概要

本文展示了如何設(shè)計(jì)光束整形器將激光器產(chǎn)生的高斯分布的光轉(zhuǎn)換為平頂分布的光輸出。

文中示例文件可通過以下鏈接下載：

介紹

光束整形光學(xué)元件可以將入射光的光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換為其他特定的分布輸出。最常見的例子就是將激光器產(chǎn)生的高斯分布的光轉(zhuǎn)換為平頂（Top-Hat）分布的光輸出。在評(píng)價(jià)函數(shù)中使用幾何光線來優(yōu)化透鏡的矢高是一個(gè)很有效的方法。在這一方法中，我們將計(jì)算給定輸入光分布時(shí)，輸出面應(yīng)有的結(jié)果，并通過幾何光線目標(biāo)的形式輸入到評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中。下表顯示的是這樣一個(gè)光束整形系統(tǒng)，其輸入光為束腰為W的高斯光，輸出光為平頂半徑為K的平頂光。

首先，對(duì)于已知光束在坐標(biāo)X處的圈入能量為A，我們需要分析確定當(dāng)輸出光的輻射距離S為多少時(shí)可以保證輸出光圈入能量B和輸入光的相同。

處理分析

對(duì)于能量的1/e2處束腰為W的輸入高斯光，我們想要的輸出光的輪廓是一個(gè)在半徑K內(nèi)均保持均一最大值的分布。其中輸入光的輻照度分布為Pexp{-(2R2/W2)}，輸出光的輻照度分布為最大值為H、半徑為K的階躍函數(shù)。

現(xiàn)在我們可以計(jì)算對(duì)于任意輸入光坐標(biāo)X處的輸出光的坐標(biāo)S。我們可以在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中使用操作數(shù)REAY來確定一組輸入光線的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的輸出光線的坐標(biāo)結(jié)果。在操作數(shù)REAY中，我們首先要確定輸入坐標(biāo)的歸一化半徑及其在像面上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。相比繁瑣的手動(dòng)輸入操作數(shù)，我們可以使用一段ZPL宏程序來自動(dòng)生成評(píng)價(jià)函數(shù)并優(yōu)化透鏡。

請(qǐng)將示例文件中的宏程序Beam Homogenizer.ZPL拷貝到你的Zemax宏程序目錄下（{Zemax}/Macro folder）。

優(yōu)化

打開附件中的鏡頭文件 Beam_Homogenizer.ZMX。示例系統(tǒng)為一個(gè)前表面為偶次非球面面型的平凸透鏡。優(yōu)化變量為曲率、圓錐系數(shù)和偶次非球面的系數(shù)。系統(tǒng)工作波長為0.623μm（HeNe），玻璃材料為N-BK7。

在主菜單中，點(diǎn)擊Macros/Beam Homogenizer。在執(zhí)行完宏程序后，草圖窗口應(yīng)如下所示：

需要注意的是，輸入光的切趾為高斯型但輸出光為均勻分布。在像面上每條光線的間隔幾乎是一致的，這說明像面上的輻照度分布應(yīng)該非常接近理想的平頂分布。

幾何圖像分析

幾何圖像分析（分析-擴(kuò)展圖像分析-幾何圖像分析）可以提供表面1上的高斯分布和像面上的平頂分布。

如果我們將在幾何圖像分析的設(shè)置中的光線數(shù)量提高至500000根并將像素?cái)?shù)量設(shè)為200，我們會(huì)得到更好信噪比的結(jié)果（如下所示）。

如果想要優(yōu)化其他束腰為W的輸入光和平頂半徑為K的輸出光，你可以在宏程序中更改相應(yīng)的變量即可。

小結(jié)

這篇文章展示了如何使用Zemax OpticStudio的幾何光線追跡來優(yōu)化一個(gè)光束整型器。使用幾何光線可以進(jìn)行快速的優(yōu)化，并且其結(jié)果顯示像面上的輻照度表現(xiàn)出很好的均一性。