本系列的三篇文章旨在介绍如何创建一个高斯光学、如何分析光束通过光学系统时的传播和如何使用上述三种方式优化至最小光斑。本文也会介绍适用于特定情况的最佳模拟方式。

OpticStudio序列模式提供了三种模拟光束传播的工具:

• 基于光线的方式。 此工具用几何光学追迹模拟光束传播。

• 近轴高斯光束。 此工具模拟高斯光束且在光线通过近轴光学系统时报告包括光束尺寸和束腰位置的光束数据。

• 物理光学传播 (POP)。此工具通过传播相干波前来模拟激光光束传播，因此允许对任意相干光束进行非常详细的研究。

本文是系列的第三篇，重点介绍如何使用物理光学传播工具来建模高斯光束，以及何时使用哪种工具。

物理光学传播

物理光学传播通过传播波前来模拟光学系统中的传播。光束由离散采样点的阵列上的数据表示，类似于用光线进行几何光学分析的离散采样。整个阵列通过光学表面之间的自由空间传播。在每个光学表面上，系统会计算一个将光束从光学表面的一边传播到另一边的转换函数。因为光束是由其全部复值电场阵列描述的，所以物理光学传播POP允许仔细研究任意相干光束，包括高斯或任何形式的高阶多模激光束（光束是用户可定义的）、远焦衍射影响或有限镜头孔径的影响（如空间滤波器）。这篇文章将不会深入如何使用物理光学传播工具的细节。建议用户阅读由三篇知识库文章组成的系列文章“如何使用物理光学传播(POP)，第一部分：检测光束”，该文章详细介绍了POP工具。

示例

我们将处理和第一和第二部分中同样的问题，用单透镜设计一个使激光聚焦在离激光输出100 mm处的系统。

设计要求是一样的：

• Nominal Wavelength = 355 nm

• Measured 5 mm from laser output:

• Beam diameter = 2 mm 

• Measured divergence = 9 mrad

•  名义波长= 355 nm

• 在距激光出射口 5 mm 处测得

• 光束直径为 2 mm

• 光束发散角为 9 mrad

已知高斯光束的波长和远场发散角，计算出光束束腰为0.0125 mm，瑞利距离为1.383 mm。

为了进行分析，我们将从之前在基于光线的方式中使用的相同示例文件“1_rays optimizated .zar”开始操作。在物面之后插入一个新表面，将物面厚度改为零，并将其原厚度106.108 mm设置为表面1的厚度。

然后我们设置 POP 工具：

• 在物理光学 (Physical Optics Propagation) …设置 (Settings) …常规 (General) 标签中，输入开始表面为表面1，结束表面为表面6。

• 在物理光学 (Physical Optics Propagation) …设置 (Settings) …光束定义 (Beam Definition) 标签中，将光束类型设置为高斯束腰，输入X/Y采样为256 x 256，束腰X/Y为0.0125 mm，然后按下自动按钮，让OpticStudio计算合适的采样光束阵列大小。

设置完成后，按下底部的保存按钮。OpticStudio将把所有当前设置保存到一个配置文件中，这些相同的设置将用于计算在评价函数编辑器（Merit Function Editor）中的POPD操作数。

在评价函数编辑器（Merit Function Editor）中，删除所有现有操作数并刷新。为表面3输入 Data 值为23的操作数POPD，它将计算表面3光束X半宽或光束半径，目标尺寸为1 mm。更新评价函数编辑器和POPD操作数，在表面3的光束半径此时显示为1.0037 mm，不是精确的测量尺寸1 mm。

 这意味着高斯束腰的位置稍有偏差。为了将光束在表面3上的半径优化为1 mm，可在第二行增加一个权重为1，目标为1 mm的POPD操作数，并将表面1上的厚度设为变量进行优化。经过优化后，表面1的新厚度为105.689 mm，表面3的POP 光束尺寸现在正好是1 mm。然后在评价函数编辑器的第4行和第6行增加两个操作数GBPS和POPD，以计算近轴高斯光束尺寸和图像平面上的POP光束尺寸。近轴高斯光束得到的光束尺寸为9.97 um，POP得到的光束尺寸为9.811 um。该示例文件为名为“3_POP new waist location.ZAR”的文件。

我们可以进一步进行优化，看看这个结果是否是我们在距离激光输出口100 mm处使用单透镜所能达到的最小光束尺寸。在镜头数据编辑器中，去掉表面1上求解的厚度变量，对单镜头的前后曲率添加变量求解。在评价函数编辑器中，将第6行上的POPD操作数的目标设置为0，权重设置为1。这是为了优化像面上的最小POP光束尺寸。运行优化。

 优化后，POPD显示了一个略小的光束半径9.48 um。注意POP计算的光斑尺寸与近轴高斯光束计算的光斑尺寸都为9.45 um，非常吻合。该文件，“ 3_POP new waist location.ZAR”可以在文章附件部分下载。

需要阅读有关在 OpticStudio 中使用不同的高斯光束传播方法的比较，并下载示例文件，请查看本文的完整版本如何在 OpticStudio 中对激光束传播进行建模：第 3 部分 - 使用物理光学传播进行建模 高斯光束 – 知识库 (zemax.com)

单击此处查看有关如何在 OpticStudio 上模拟激光束传播的前两篇博客文章。

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作者：
Hui Chen
高级光学工程师
Ansys Zemax