高斯光束非球面镜整形系统的设计
第４０卷第５期
２０１３年５月 光电工程
Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．４０，Ｎｏ．５
Ｍａｙ，２０１３
文章编号：１００３—５０１Ｘ（２０１３）０５—０１２７—０６
＿＿－． Ｉ— Ｅｊ 同 斯光束非球面镜整形系统的设计
冯科，李劲松
（中国计量学院光电学院，杭州３１００１８）
摘要：首先介绍了高斯光束平顶整形的应用价值及一些主要整形方法，由于非球面镜整形的优点，本文研究非球
面镜整形法。选择费米．狄拉克函数作为平顶光束模型，并分析了其平顶分布与特性参数之间的关系。理论分析了
非球面镜整形原理，根据能量守恒定律和光线追迹函数推导出非球面面形表达式。考虑到加工因素，分析了影响
非球面度的系统参教，根据分析，选择适当的参数，用ＭＡＴＬＡＢ软件对映射关系和面形曲线进行数值求解并拟
合得到非球面系数。用ＺＥＭＡＸ光学软件对整形系统进行建模，通过物理光学传播ＰＯＰ仿真可以得到输出光束的
光强分布和传输特性，结果输出光束的平顶质量接近理论上的预期效果，其误差主要来自数值计算精度和孔径边 缘衍射。
关键词：高斯光束；平顶分布；非球面镜；光线追迹；整形系统 中图分类号：０４３６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００３．５０１Ｘ．２０１３．０５．０１８
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｓｐｈｅｒｉｃｓ Ｌｅｎｓｅｓ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｂｅａｍ
ＦＥＮＧ Ｋｅ，ＬＩ Ｊｉｎｓｏｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＣｈｉｎａＪｉｌｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｂｅａｍ ｗｉｔｈ ｆｉａｔ－ｔｏｐ ｓｈａｐｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｍａｉｎ ｓｈａｐｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ａｓｐｈｅｆｉｃｓ，ａｓｐｈｅｒｉｃｓ ｓｈａｐｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，Ｆｅｒｍｉ Ｄｉｒａｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ
ｃｈｏｓｅｎ ａｓ ａ ｆｉａｔ·ｔｏｐ ｂｅａｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｔｓ ｆｌａｔ—ｔｏｐ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｓｐｈｅｒｉｃｓ ｓｈａｐｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ
ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ａｓｐｈｅｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｏｒｍ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅ
ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｄｅｇｒｅｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ，ｂｙ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，
ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｐｐｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｈａｐｅ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｆｉｔ ｔｏ ｇｅｔ
ａｓｐｈｅｒｉｃ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＺＥＭＡＸ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｏｆｌａｖａｒｅ ｔｏ ｍａｋｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｂｅａｍ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｇｏｔｔｅｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ ｐｒｏｐａｇａｔｅ－ＰＯＰ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｓ ａ
ｒｅｓｕｌｔ，ｏｕｔｐｕｔ ｂｅａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌａｔ·ｔｏｐ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｅｆｆｅｃｔ，ａｎｄ ｉｔｓ ｅｒｒｏｒ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｍｅｓ ｆｒｏｍ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｅｄｇｅ ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｇａｕｓｓｉａｎ ｂｅａｍ；ｆｌａｔ—ｔｏｐ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ａｓｐｈｅｒｉｃ ｌｅｎｓ；ｒａｙ ｔｒａｃｉｎｇ；ｓｈａｐｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
０ 引 言
通常单模激光器发出的激光束截面光强分布呈高斯分布，也叫作高斯光束，但是在很多激光技术的应
用中需要激光光强满足某种特定分布，比较常见的是平顶分布，即输出的激光束截面能量分布均匀。满足
平顶分布的激光束在很多领域有着重要的应用价值，比如，激光打孔、刻槽、激光材料加工、光学信息处
理、存储和记录、激光医疗等领域，都对光束的均匀性有较高的要求；在高功率固体激光器和放大器的应
收稿日期：２０１２—１卜２３ｌ收到修改稿日期：２０１３一Ｏ卜２２ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０８７８０２４） 作者简介：冯科（１９８９－），男（汉族），江西吉安人。硕士研究生，主要研究方向是激光光学系统的设计。Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｋｅ１９８９＠１２６．ｔｏｍ
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｄｇｃ。ａｃ。
ｃｎ 光电工程 ２０１３年５月
用中，高斯光束的强度过于集中在中心部分，易导致激光晶体和光学元件的损伤，而平顶光束把强度分散
在整个光斑尺寸中，可以大大提高高功率激光的损伤阈值。激光光束均匀性不仅影响激光器的整体性能，
也极大地影响激光技术的应用水平。
要想将高斯光束整形成平顶光束，需要用特殊设计的光学系统来实现。平顶激光整形系统已有十几年 的研究，经典的整形方法有非球面透镜组【ｌ圳、微透镜阵列、二元光学元件、双折射透镜组、液晶空间光调
制器、长焦深整形元件等，这些方法均可将高斯光束整形为平顶光束。相对来说，非球面透镜组整形方法 结构简洁，只需两片非球面镜即可实现，而且光能损失小；微透镜阵列整形法 主要应用于照明系统中的
光束匀化，对于激光束的匀化，其子透镜尺寸必须做的很小，加工难度高；二元光学元件整形法是对光束 波前进行调制达到整形的目的，需要复杂的设计算法，多位相台阶的加工难度也很大。本文重点讨论如何
设计非球面镜整形系统。
１ 平顶模型的分析
在平顶均匀分布的数学模型中，主要有超高斯函数、费米一狄拉克函数、匀化洛伦兹函数等 Ｊ。本文采
用费米一狄拉克函数作为输出光束的平顶分布模型。
平顶分布的圆柱形光束在空间传输时可以建立柱坐标系，在柱坐标系中ｚ＝Ｏ时费米一狄拉克光束的光
强分布表达式为
ｇ（ｒ）＝１０（ ＋ｅｘＰ（ｆｌ（－￣－）））～ （１）ｏ－１
其中： 是光强降低到其轴上值的一半时的光束半径，即光强曲线半高宽，而 ＝Ｒ。／ ，其中 则为光
强下降指数。费米一狄拉克平顶光束的光强分布曲线由 与Ｒ决定。
对于高斯光束，其光强分布函数为 １ ，’２ 厂（ｒ）＝ ．ｅｘｐ（一 ） （２） 兀ＣＯｏ ＣＯｏ 图１是运用ＭＡＴＬＡＢ绘制的光束截面光强分布曲线，反映了 值对平顶光束曲线形状影响。
图中高斯光束的束腰半径 为２ ｒｎｎｌ，中心光强由式（２）计算为０．１５９ ｗ／删 ，平顶光束的半高宽 为
３ ｍｍ，中心光强为０．０３５ Ｗ／ｍｍ ，由下式计算所得，其中 （ｒ）为高斯光束光强分布函数。
１。ｒｄ ＝ 厂（ｒ） （３）
在激光理论中，激光光强都是用辐照度来表示的，所以其单位是辐照度单位。
由图１可以看出 值越大，输出光束越接近矩形分布，图２反映了Ｒ值对平顶光束曲线形状影响。高
斯光束参数同图１， 取值ｌ５。Ｒ决定了平顶光束的半高宽，由图２可以看出，在输入光能量一定的情况
下，根据能量守恒定律，平顶光束的半高宽越大，光强值越小。在实际应用中，可根据输入光能量大小和 实际需要，计算平顶光束半径大小，设计出相应的非球面镜满足需求。
０．１６
０．１２
０．０８
０．０４
０ ０－３０
０．２０
０．１０
Ｏ
一６ —４ —２ ０ ２ ４ ６ —６ ．４ —２ ０ ２ ４ ６
Ｒａｄｉｕｓ ｒ／ｍｍ Ｒａｄｉｕｓ ｒ／ｒｒｍｌ 图１ 不同 值对应的平顶分布曲线 图２不同Ｒ０值对应的平顶分布曲线
Ｆｉｇ．１ Ｆｌａｔ－ｔｏｐ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｆｌｖａｌｕｅ Ｆｉｇ．２ Ｆｌａｔ—ｔｏｐ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｕｗｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｒ０
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｄｇｃ。ａｃ ｃ１１
苎竺 塑 １２９
而 妻 顶 妻 ＝ 离后，衍射效应开始越来越明 ＿ 王 ＿磊 五 束 坌布 效应很明显
；而当 ５时，输出 妻，ｈ 仍 ！ 到均匀性比彗好的平顶光束。因 ，。 弃 基 ＾巳 足平顶光束的均匀性需求
，又要能满足远场传输 ７１。 一～ 一 一 ” ＾匕戈帆
由 量萋 譬亨要 荨 式，一种是开普勒式，由２片平凸非球面镜组成；一种是伽利略式， 片 竺 与二 面镜组成
。其中开普勒型非球面镜 ＿； ， 荔 会篓麦耋 产 竺妻 竺
，、 ．【ｌ＝匕，该类型只适用于小功率激光 ， ｉ 鑫 用 兰 析！
，光束用大量追迹光 耋表 堂 尊 ：。第一面非球面镜控制各孔径 ＿ 光
匀，第二片非球面镜再将光夏 磊 蔷镜 簇 就是计算非球面的面形
，而计算面形只能采用数值解法。 ’’…一 ～ 。 ¨什 况‘且刚大斑
＾的 ， 鬈妻 妻 ，输入高斯光束为 （ ，输出光束为费米 狄拉克函数ｇ（，），５ ，１ 镜上的坐标
，则面形曲线即为ｚｃ，．， ／Ｉ、 可 面 空
关 ：一∽ 其中 警 关 三 竺 近轴区域相对于边缘区域 弄 证能量利用率
，输入光束口径要大于束腰直接，略小于平顶宽度。一一 ～一’工 Ｊ一刀队戈 。７ 。术
，Ｚ）
能量守恒定律要求口径，．内的输入光束能量与口径 内输出光束的能量相等，即 ｓ ｏｒ ）ｘｄｘ＝ＳｏＳｇ（ｘ ｄｘ
对式（４）两边分别对，．求导，可以得到如下微分方程： 一
一ｄｒ —ｎＣＯｏ￣—ＩｏＲ ｐ（一 ２）‘（ Ｐ（ｆｌ（￣一１））） （５）ｏ
：ｆ得 耋 苎 ， ａｔｌａ ｂ！通常ｖ采用４阶龙格库Ａ－０塔算法来求解。根据能量守恒定律可 苎苎件
…陵示与光轴重 刃值条件带入微分方程右式，结果发现不能进行计算，因此需对该微 苯 蓑 －褊付
～ｄｒ ｘｐ（～２
－ｖ ）。（ ＋ｅｘｐ（ （ 一１） （６）ｖ －＇ 善 。变换后的微分方程，龙格库塔算法对其数值解求解是适用。的，（ Ｒ）即为所求径向－Ｊ高度映射 Ｚ值解
。 。。～…～’ ’．¨¨ｒ川 、 Ｊ 问厦吠习
将式 １ 带入式（４）左边，可化简为一 １‘（ｅＸｐ（ ｃｏｏ）一１），再将式（３）带入式（４）右边，则式（４）可变换为
ｈｔｔｐ：
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无衍射贝塞尔光束非球面透镜设计
第２４卷第６期 ２０１２年６月 强 激 光 与 粒 子 束 ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ Ｉ ＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ Ｖｏ１．２４，ＮＯ．６ Ｊｕｎ．，２０１２
文章编号： １００１—４３２２（２０１２）０６ １３１５—０４
无衍射贝塞尔光束非球面透镜设计
张前安， 吴逢铁， 郑维涛
（华侨大学信息科学与工程学院，福建泉州３６２０２１）
摘要： 提出一种可产生无衍射贝塞尔光束的非球面透镜一贝塞尔透镜，该透镜由球面和非球面组成，呈 旋转对称结构。利用光学设计软件ＺＥＭＡＸ通过光线追迹法对贝塞尔透镜进行设计，在设计和优化过程中，将 出射光线与光轴的夹角作为边界条件，二次曲线参量和高次项系数作为变量。结果表明：利用标准二次睦线加 上第一个高次项就可以得到比较理想的优化结果，设计的非球面贝塞尔透镜可以产生具有贝塞尔光束特性的 无衍射光束。 关键词：贝塞尔透镜；无衍射光束；光线追迹；光学设计；非球面 中图分类号： Ｏ４３５．１ 文献标志码： Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１２２４０６．１３１５
无衍射贝塞尔光束自１９８７年由Ｄｕｒｎｉｎ等人提出 以来，由于其独特的无衍射特性和自重建特性得到了
广泛的研究 ］。许多产生无衍射光束的新方法也相继提出，这些方法大致可以分为两大类：一类被称为主动
式，即通过特定结构的谐振腔可以直接输出贝塞尔光束 。 ；另外一类产生贝塞尔光束的方法被称为被动式，即 通过光学元件将入射的高斯光束或其他光束转换为贝塞尔光束。这些光学元件包括环缝一透镜口］，相位全息
图［８３，轴棱锥 。 ，透镜轴棱锥等 ］。轴棱锥由于其结构简单、损伤阈值高和能量利用率高（接近１００ ）的优 点成为目前产生贝塞尔光束最常用的光学元件，但是由于轴棱锥产生贝塞尔光时，在入射光束半径和轴棱锥折
射率固定的情况下，产生的贝塞尔光束最大无衍射距离与轴棱锥锥面底角成反比，因此要获取长距离的贝塞尔 光束，必须加工较小的锥面底角，而小的锥面底角在加工中是困难的，目前国内外市场上可购买的轴棱锥最小 锥面底角为０．５。。为解决小的锥角加工困难的问题，人们尝试利用球面透镜的球差设计出具有类似轴棱锥功
鲍威尔棱镜Zemax建模方法与激光光束整形的应用
鲍威尔棱镜Zemax建模⽅法与激光光束整形的应⽤
鲍威尔棱镜Zemax 建模⽅法与激光光束整形的应⽤
在激光整型技术⽅⾯，1965年，Fridden 发表了第⼀篇⽆损耗激光整型技术，其利⽤⼏何的⽅法将单模的⾼斯光束整型为均匀光束。近年來，线形激光光束整型的⽂献⽇益增多。1986年，⽇本⼈Nakamura 使⽤复杂的旋转反射⾯机构使出射光束为线形分布。1989年，Powell 设计了⼀个单透镜，藉由控制曲率半径及锥形系数(Conic constant)，可以使圆形的激光光束整形为均匀的线形光束。此后，Powell 在1996年发表了可以将激光光束整形为D 型光束的光学元件。1994年，Frady 由Powell 的概念，发觉Powell 透镜难以使⽤在固态激光上，设计了⾮对称的单透镜组件，在两垂直轴的曲率半径及锥形系数不相同，此组件可⽤在⾮圆形⼊射的激光光源，将光源整形为均匀线形光源，但缺点为在不易对位(Alignment)且制作复杂。
鲍威尔棱镜（Powell Lenses ）是⼀种光学划线棱镜（⾮球⾯柱⾯镜），它使激光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的⼀条直线。鲍威尔棱镜划线优于柱⾯透镜的划线模式，能消除⾼斯光束的中⼼热点和褪⾊边缘分布。当约1mm 的准直激光光束打到鲍威尔棱镜的棱上时，如果将棱镜顶端部分放⼤可以看出，棱是圆弧状的，光线⼊射后发⽣折射，折射⾓主要由两个棱⾯所构成的⾓度决定，最后经过出射⾯时再发⽣⼀次折射，整个出射光线形成⼀道扇形光幕。
鲍威尔棱镜的特性之⼀，就是对⼊射光束的尺⼨有严格要求，或⼤或⼩都会影响出射光线在⽬标位置的均匀性，⽽且⼀般要求⼊射光束的尺⼨都⽐较⼩，正好适⽤于激光光束的特征；同时轴⼼的对准度也有影响，所以⽤起来会很不⽅便。厚度H 虽然不会影响出射光线的⾓度，但也会影响⽬标位置的均匀性。因此，鲍威尔棱镜的产品指标都会指明⼊射光束尺⼨的要求，标注直径和厚度等参数，如图 25-1所⽰。
zemax拟合非球面曲线
zemax拟合非球面曲线
Zemax是一个光学设计软件，可用于模拟和优化各种光学系统。其中一个重要的功能是拟合非球面曲线，即通过调整曲面参数来获得所需的光学性能。在这篇文章中，我将详细介绍Zemax拟合非球面曲线的基本原理和操作流程。
首先，我们需要了解什么是非球面曲线。一般来说，光学系统的曲面形状是通过球面的一部分来近似描述的，称为球面曲率。然而，在某些情况下，我们需要的曲面形状不能完全由球面来描述，这时就需要使用非球面曲线。非球面曲面可以提供更高的自由度，以获得更复杂的光学性能。
接下来，我们将介绍如何使用Zemax来拟合非球面曲线。首先，我们需要在Zemax中建立一个非球面表面。在非球面表面的参数设置中，我们可以选择使用何种类型的非球面曲线：例如，切割球、旋转曲面和斯奈德多项式等。这些非球面曲线的选择取决于我们所需的光学性能。 在选择了非球面曲线类型后，我们可以通过调整参数来拟合所需的曲线形状。在Zemax的参数设置中，我们可以选择调整曲率、倾斜和高阶项等参数。通过改变这些参数，我们可以改变曲面的形状，并尽可能接近所需的曲线。
然后，我们需要定义光线的入射角度和位置。在Zemax中，我们可以通过定义像差函数来考虑光线的入射条件。这些像差函数可以用来优化曲线形状，以使光线的入射角度和位置尽可能接近理想情况。
经过一系列的调整和优化，我们可以得到拟合非球面曲线的最佳参数。这些参数可以用于制造实际的非球面曲面。
在Zemax中拟合非球面曲线的过程中，我们还可以使用一些其他的工具和功能，以进一步优化光学系统的性能。例如，我们可以使用Zemax的轴向光线追迹来分析光线的传播路径和像差。我们还可以使用Zemax的散射和吸收分析工具来研究光学元件表面的质量和性能。
总之，Zemax是一个强大而灵活的光学设计软件，可以用于拟合非球面曲线。通过调整非球面表面的参数，定义入射条件，并使用优化工具，我们可以得到所需的非球面曲线形状，并进一步优化光学性能。在实际应用中，拟合非球面曲线可以用于各种光学系统设计，包括望远镜、透镜和激光系统等。
激光测距仪用非球面准直透镜优化设计
激光测距仪用非球面准直透镜优化设计
樊玉赢;孙杰;安亮;陈平
【期刊名称】《光电技术应用》
【年(卷),期】2012(27)6
【摘 要】针对激光测距仪使用的650 nm激光二极管光源的远场发散角特点,结合非球面光学设计理论,使用ZEMAX软件模拟计算了非球面透镜准直系统成像像差并进行了最优化,设计出非球面准直整形系统,给出了系统数据、点列图、横向像差特性曲线和光程差仿真图.给出了一种采用非球面透镜准直系统对激光二极管的发散角进行压缩准直的设计.由计算结果可知,准直整形后的最大发散角压缩为0.1999
mrad,相应的光斑更均匀,能量利用率提高.给出的光学系统结构简单、制作方便、具有很好的球差校正能力、成像精度高且使用方便.% According to the
characteristics of divergence angles in far field from 650 nm laser diode
light source used in laser range finders and integrated with the theory of
aspheric optics design, the image aberration of the aspheric collimating
lens is simulated and calculated by ZEMAX software and the optimum
design is per⁃formed. The aspheric collimating and shaping system is
designed. The system data, spot diagrams, characteristic curves of
transverse ray aberration and simulation diagrams are given. A design
利用纯相位型液晶空间光调制器实现空心光束
第２２卷第８期 ２０１０年８月 强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩＧＨ Ｐ０ＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ Ｖｏ１．２２，Ｎ０．８ Ａｕｇ．，２０１０
文章编号： １００１—４３２２（２Ｏ１Ｏ）Ｏ８—１８１０－０５
利用纯相位型液晶空间光调制器实现空心光束
马浩统， 周 朴， 王小林， 马阎星， 汪晓波， 许晓军， 刘 金
（国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙４１００７３）
摘要： 为了提高激光系统的整体效率，需要将出射光强整形为空心分布。采用纯相位型液晶空间光调 制器整形近高斯分布光强到空心分布 基于能量守恒定律和等光程原理，分析了纯相位型液晶空间光调制器 光束整形系统，得出了整形系统所需的相位分布。采用衍射光学方法，数值模拟了整形效果，讨论了入射光束 束腰半径和强度分布等因素对整形效果的影响。利用纯相位型液晶空间光调制器实验实现了空心光束，实验 测得的转换效率大于９９ 。 关键词：激光光学；光束整形；空心光束；液晶空间光调制器
中图分类号： ＴＮ２４９ 文献标志码： Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２Ｏ１Ｏ２２Ｏ８．１８１０
激光器输出光强通常为高斯分布，在实际应用中需要对光束光强分布进行整形，以提高系统的能量利用效
率。空心光束由于其特殊的光强分布，被广泛应用于空间光通信、原子光学、材料科学等方面ｌ１］。空心光束主
要有空心高斯光束，拉盖尔一高斯光束，高阶贝塞尔光束等定义方式 ］。空心光束的产生方法也得到了广泛的
研究，人们采用诸如横模选择、模式变换、光学全息等方法产生了各种不同的空心光束 ］。Ｋｒｅｕｚｅｒ提出利用
双非球面透镜组整形光束近场光强分布，由于其高的能量转换效率和简单的设计原理，得到了广泛的关注ｌ＿４］。
Ｊ．Ａ．Ｈｏｆｆｎａｇｌｅ和Ｃ．Ｍ．Ｊｅｆｆｅｒｓｏｎ采用双非球面镜组实现了平顶光束＿５］，Ｍ．Ａ．Ｋａｒｉｍ等人对产生贝塞尔光束
的非球面光束整形系统进行了详细的理论研究 ］。由于加工高质量的非球面光学元件，难度和费用都相当高，
zemax倾斜高斯光束
zemax倾斜高斯光束
在光学领域，倾斜高斯光束是一种具有特殊成像特性的光束。它
的研究对于理解光的传输和光学系统的设计具有重要意义。本文将介
绍倾斜高斯光束的概念、特性以及在实际应用中的应用案例。
倾斜高斯光束是指光束在传输过程中产生的倾斜相位。它的特点
是光束的相位在空间中呈线性变化，这使得光束在传输过程中发生弯
曲。这种弯曲现象对于光学成像系统的设计和光路校正具有重要影
响。
倾斜高斯光束在实际应用中具有广泛的应用。首先，它可以用于
光学成像系统的校正。倾斜相位的产生使得光束在传输过程中发生弯
曲，通过对光路进行校正，可以实现对图像的准确成像。其次，倾斜
高斯光束还可以用于光学通信中。光束的倾斜相位可以提高光信号的
传输速度和容量，从而实现高速光通信。此外，倾斜高斯光束还可以
应用于激光切割、材料加工等领域，提高加工精度和效率。
实际应用中，我们可以通过Zemax软件对倾斜高斯光束进行模拟
和分析。Zemax是一款常用的光学设计软件，它可以帮助我们进行光学
系统的设计和优化。通过在Zemax中设置倾斜相位参数，可以模拟倾
斜高斯光束在光学系统中的传输和成像效果，为实际应用提供指导和
参考。
总之，倾斜高斯光束是一种具有特殊成像特性的光束，在光学系
统设计和实际应用中有着广泛的应用。我们可以通过Zemax软件进行
模拟和分析，为光学系统的设计和优化提供支持。通过深入研究倾斜
高斯光束的特性和应用，我们可以不断推动光学领域的发展和进步。
【国家自然科学基金】_光束整形_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140729
序号科研热词推荐指数序号科研热词1光束整形51光束整形2激光技术22高亮度3高功率激光系统13飞秒激光4铌酸锂14部分相干余弦-高斯光束5部分相干光15自聚焦6通道长度16空间相干参量7通道寿命17空间整形8轴棱锥18激光技术9超快光学19激光二极管阵列10衍射光学元件110混合算法11衍射光场111模拟退火算法12自适应遗传算法112头盔显示器13自适应软边光阑113大芯径光纤14等离子体114塑料透镜15相干贝塞尔光115双平行平面反射镜16物理光学116半导体锥形放大器17照明117半导体激光器18激光束实时整形118光纤耦合19激光微加工119光束空间整形20激光击穿大气120光学设计21梯形镜121像散22折射率失配122位相型衍射光学元件23投影光刻123二元光学24微爆124m2因子25局域空心光束126导电特性127大功率ld阵列128塔尔博特效应129反射定律矢量表达130半导体激光器阵列131半导体激光器线阵132功率133分辨率增强134光纤耦合135光束质量136光束参数乘积(bpp)137光强分布138位相板139zemax140lda141bar条12008年2009年
半导体激光准直
半导体激光准直
半导体激光准直是指通过光学系统对半导体激光器发出的光束进行准直和整形，以提高光束的方向性、光斑的能量密度及光场的均匀度，从而扩大半导体激光器的应用范围。
半导体激光器发出的光束是存在固有象散的椭圆高斯光束，光强分布极不均匀。为了提高发射天线的工作效率以及光纤通信中的耦合效率，需要对光束进行准直。
在准直过程中，一般会使用准直透镜保持架，并将其垂直竖置在热沉上。准直透镜的选择非常重要，常用的有球面准直透镜、自聚焦准直透镜、非球面准直柱透镜和非球面反射准直镜等。由于半导体激光器出射光束的发散角非常大，且相差较多，因此要求透镜的准直度非常高。球面准直透镜和自聚焦准直透镜的准直度较低，一般不能满足准直要求。而非球面准直柱透镜可以通过非球面处理来减小球差，提高准直度，并且可以避免使用多片准直透镜带来的复杂程度。
以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
高斯光束准直
高斯光束准直
高斯光束准直是光束准直技术中的一种，是指通过特殊的光学系统将一个初始的光束转换为高斯光束，在实际生产和科学研究中有着广泛的应用。
高斯光束准直技术的优势在于，它可以大大提高光束的质量和稳定性，使其适用于精密加工、光刻、激光打印、激光雷达、医疗设备等领域。具体来说，高斯光束准直技术可以将初始光束变为“提高了边缘坡度和减小了光束散角”（MIT Technology Review）的高斯光束，从而提高了光束的聚焦能力、单模性和空间一致性。这种“光束整形”的技术常常被用于工艺优化，实现更高的加工速度和更精确的加工效果。
高斯光束准直技术的基本原理在于，通过光学系统对初始光束进行聚焦、反射、衍射等处理，使其符合高斯分布的特性。高斯光束是一种常见的光束形式，它具有圆形对称、能量集中等特点，适用于许多光学系统和激光应用中。
不过，在实际应用中，高斯光束准直技术也存在一些挑战和限制。其中一个关键问题是，如何保证准直后的光束尽可能地符合高斯分布，而不会受到系统误差、散焦、畸变等因素的影响。此外，高斯光束准直技术的应用范围也受到很多因素的制约，例如激光能量、波长、工艺需求等。 针对这些问题，研究者们也在不断寻求创新和改进。据报道，目前已经有一些新型的高斯光束准直技术得到了广泛应用，例如自适应光学系统、多重折射光学系统、自适应光学反射镜等。这些技术都有助于提高准直精度、扩大应用范围、提高加工效率等。
总之，高斯光束准直是一项重要的光学技术，在当今制造和科技领域发挥着重要作用。在实际应用中，我们应该注重技术的优化和改进，使其更好地满足不同领域的需求。同时，在推广和应用高斯光束准直技术的过程中，也应该注意规范和安全，保障人类和环境的健康与安全。
高斯光束整形系统的光学设计_高瑀含
第19卷 第7期2011年7月 光学精密工程 OpticsandPrecisionEngineering Vol.19 No.7 Jul.2011
收稿日期:2010-07-06;修订日期:2010-11-16. 基金项目:高功率半导体激光国家重点实验室科研基金资助项目(No.9140C310405);吉林省科技发展计划资助项目(No.20080331,20090555)文章编号 1004-924X(2011)07-1464-08高斯光束整形系统的光学设计
高瑀含1＊,安志勇1,李娜娜1,2,赵伟星3,王劲松1(1.长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;2.中国科学院光电研究院北京100080;3.南京光科信息技术有限公司,江苏南京210001)摘要:研究了真实光线追迹优化光学系统的方法以简化高斯光束整形系统的光学设计。理论分析了高斯光束整形原理,并选择超洛伦兹函数作为平顶光分布函数;根据能量守恒原理,推导了高斯光束整形系统中任意光线在入射面与出射面的坐标变换关系。针对该系统的特点,使用Zemax编程语言(ZPL)编写计算坐标变换的ZPL宏指令,并优化设计了高斯光束整形系统。最后,利用金刚石单点车削法加工该非球面光学系统,并利用光束分析软件对系统的整形效果进行了测试。测试结果表明,利用该方法设计的非球面透镜实现了高斯光束的整形变换,平顶光的均匀度为87.1%。该方法简单实用,计算量小,可应用于实际工程设计。关 键 词:光学设计;非球面透镜;光束整形;高斯光束;平顶光束;超洛伦兹函数中图分类号:TH703 文献标识码:A doi:10.3788/OPE.20111907.1464OpticaldesignofGaussianbeamshaping
GAOYu-han1＊,ANZhi-yong1,LINa-na1,2,ZHAOWei-xing3,WANGJin-song1
(1.SchoolofOpticsandElectronicEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechology,Changchun130022;2.AcademyofOpto-electronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China;3.NanjingOptotekCorporation,Nanjing210001,China)＊Correspondingauthor,E-mail:gaoyuhan@Abstract:ArealraytracingmethodwasusedtosimplifytheopticaldesignofaGaussianbeamshapingsystem.TheprincipleofshapingGaussianbeamwasstudiedtheoreticallyandtheFlattenedLorentzi-an(FL)functionwaschosenasthedistributionexpressionoftheflattenedbeam.Therelationshipofcoordinatetransformationofarbitraryraysinanincidentplaneandanimageplanewasdeducedbasedonthelawofenergyconservation.Then,accordingtothecharacteristicsofthissystem,ZemaxPro-grammingLanguage(ZPL)wasusedtocompileZPLmacroorderstocalculatethecoordinatetrans-formation,andtherealraytracingmethodwasadoptedtodesigntheopticalGaussianbeamshapingsystem.Finally,theasphericlenssystemwasprocessedbysinglepointdiamondturningtechniquesanditsshapingabilitywastestedbytheopticalanalyzingsoftware.TestingresultsindicatethatthesystemcanachievetheconversionfromtheGaussianbeamtotheflattenedbeam,andtheuniformityofflattenedbeamis87.1%.Themethodisnotonlysimplebutaslopracticalandhasasignificanten-gineeringapplicationvalue.Keywords:opticaldesign;asphericlens;beamshaping;Gaussianbeam;flattenedbeam;flattenedLorentzianfunction