如何将高斯光整形成平顶光

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本文演示如何设计光束整形器，将高斯光束转换为平顶光。

介绍

光束整形光学器件将输入强度分布转换为所需的输出分布。通常，输入光束易于生成或生成成本较低，而输出则更复杂。一个常见的例子是将激光产生的高斯辐照度分布转换为平顶输出，用于切割、激光图案化等。这种类型的系统可以在OpticStudio中建模。我们将首先通过在评价函数中使用几何光线目标来优化镜头。在这种方法中，我们计算给定输入光线应该降落在输出平面中的位置，并通过输入到评价函数编辑器中的射线目标来表达这一点。

系统定义

下图表示我们尝试实现的系统。该系统具有K半径的输出平顶光束和w束腰的输入高斯光束。

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首先，我们需要解析确定给定输入坐标R的输出径向距离S，使得输出端的包围能量B与输入端的包围能量A相同。

分析处理

我们期望的输出光束是在特定圆区域中能量平均分布的平顶光，输入光束分布具有辐照度Pexp{-(2R^2/W^2)}的高斯光束。

输入包围能量A：

输出包围能量B：

使用替换求解A：

由于两个包围的能量相等，A=B，并且我们知道总输入和输出功率相等，因此可以得到：

现在我们可以计算每个输入坐标X的输出坐标值S，我们可以使用REAY优化操作数在评价函数编辑器中指定输入射线坐标数组及其各自的输出目标值。在REAY操作数中，我们将指定归一化的输入坐标和图像平面上的相应目标。我们将编写一个ZPL宏来自动生成评价函数并优化镜头，而不是手动插入操作数。

通过ZPL宏生成评价函数

以下宏将在评价函数编辑器中插入REAY操作数，然后优化系统。可以从附加的ZIP文件下载宏。

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优化

变量是半径、圆锥系数，甚至是非球面系数。系统波长为0.微米（HeNe），玻璃类型为N-BK7。

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执行宏后，布局窗口将如下所示。

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请注意，输入射线切趾是高斯的，但输出是均匀的。图像表面光线之间的间距非常均匀，表明辐照度分布应接近理想的平顶。

使用几何图像分析分析结果

几何图像分析功能（

分析...扩展场景分析...几何图像分析

）在表面#1处显示高斯轮廓，在图像表面显示顶帽轮廓。

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如果在几何图像分析设置中，我们将光线数量增加到，像素和像素，将获得更好的信噪比（如下所示）。

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对于输入腰束w和输出半径K的其他值，可以在宏中更改相应的变量值。

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