方形光斑整形匀化 | SYNOPSYS 光学设计软件第86课

一.概述
在八十五课中，我们了解了激光光斑整形的重要性，并成功的将椭圆光斑整形成为了圆形光斑，实际上在激光的加工工艺中，光斑的外形整形往往只是其中的一部分，我们还往往要对能量进行整形处理。

图一激光能量匀化
常见激光光斑能量分布符合高斯分布，随着技术的发展，人们对整形光斑的能量部分模型描述逐渐从平顶光束变成了更为精确的超高斯光束模型。

图示为具有1、2、3、4、5时不同阶数的超高斯分布情况，可以看到随着m值的不断上升，辐射的出射度曲线变化慢慢接近平均水平。可见对能量的整形，倾向是在光斑的分布内趋于均匀。
今天我们就通过前面课程所学，将圆形的激光光斑整形成方形的，并对光斑进行匀化。
二. 设计要求
波长：He-Ne光。
入射光束：圆形光斑，束腰350um。
出射光束:方形光斑，尺寸在7*7mm。
结构紧凑，整形系统不超过50mm。
准直出射。
在物方向导中设置高斯光束的尺寸大小，在系统参数中更改追迹，将Y-Z平面追迹更改为Y-Z与X-Z同时追迹。设置好的初始结构如下所示。
初始镜头
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通过像质分析>光线追踪>真实光线追踪查看入射光斑，我们分别查看（0，1）与（1，0），（1，0）与（0，1）代表了射线在归一化光瞳上的实际坐标，输入相应坐标则会追踪相应的光线。

先尝试利用柱面镜将光斑整形为正方形，在优化宏中添加柱面的G系数作为变量，执行优化，随后在新建宏中输入命令：DPROP P 0 0 6 GEOM 3 L RESAMPLE
此时得到如下光斑图。

可以看到柱面镜对边缘的形状整形能力偏弱，接下来我们加入 DOE 面型对光斑进行整形，DOE 面型能令光学系统简洁紧凑。
在数据表中修改 DOE 面型，注意这里我们使用了 USS25 面型，因为查看面型变量参数，我们发现只有 USS25 面型满足了非旋转对称性的变量参数，光斑要求是方形，因此我们需要选择 USS25 面型作为 DOE 面型。将参数变量加入优化宏中，执行优化随后继续输入命令：DPROP P 0 0 6 GEOM 3 L RESAMPLE
此时得到的光斑图如下：

可以看到光斑成功被整形成了正方形，这意味着我们对外形的整形已经完成，接下来我们要对能量进行整形，在优化宏中继续添加指令，令光斑变得匀化。
执行优化后输入命令：DPROP P 0 0 6 GEOM 3 L RESAMPLE
得到的光斑图如下图所示：
优化宏
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此时光斑被整形成正方形，同时能量分布也比较均匀。
查看最终结构的 PAD 图
最终镜头结构图
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出射光斑呈现平行出射。在查看数据表，查看整形系统的总长以及是否达到整形要求。

我们可以看到系统总长小于50mm，并且整形光斑半宽Y向与X向均在3.5mm，完成了设计需求。

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