背景：

激光器通常產(chǎn)生直徑非常小的光束，經(jīng)常用作各種光學(xué)系統(tǒng)光源。這種光束的強度是不均勻的，在理想情況下遵循高斯分布，因此而命名為高斯光束，且在大多數(shù)實際情況下以特有的方式偏離該分布。在設(shè)計和分析具有這種分布的系統(tǒng)時，必須考慮兩個問題：輪廓的形狀以及直徑非常小的光束在傳播時表現(xiàn)出強烈衍射效應(yīng)。

SYNOPSYS 中的高斯光束

作為一個適應(yīng)性強的光學(xué)程序，目標(biāo)是在盡可能在不那么復(fù)雜的情況下獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，該程序以新穎獨特的方式分析這種光束的特殊性質(zhì)。

主要問題是，如果光束直徑很小，衍射作用貫穿了整個光束的傳輸。另一方面，光線穿過普通透鏡，光束直徑遠大于光的波長，沿著直線進行非常好的近似，然后我們可以處理為光線了。高斯光束很難傳播一段距離后還保持光束直徑很小。光線的路徑（波前）是彎曲的，在光線追跡中需要特別注意。

考慮以下系統(tǒng):

    RLE    
    ID OBG DEMO    
    OBG .15 2    
    UNI MM    
    WA1 .6328    
    1  TH 50    
    2  RD -2.55 TH 2 GTB S    
    BK7    
    2  CAO 2    
    3  CAO 2    
    3  RD -55 TH 100    
    4  RD 100 TH 2 PIN 2    
    5  TH 50 UMC    
    4  CAO 10    
    5  CAO 10    
    7    
    AFOC    
    END

按照高斯光束的規(guī)則，物面被聲明為 “OBG” 類型，腰在表面 1，半徑為 0.15 毫米。根據(jù) OBG 線上的第三個詞，我們關(guān)心的是光線到達的點是 1/e* 2 的兩倍。上圖所示的邊緣光線來自于光束的那個點。在這個例子中，我們還包括了兩個簡單的透鏡，用來擴束和準(zhǔn)直光束。

如果我們把表面1的波束精確準(zhǔn)直，那么表面2上的光束大小等于于表面1的光束大小。但這是不正確的，因為衍射會在光束到達表面的時候放大光束。為了解釋這種影響，程序認為腰部的光束稍微彎曲，剛好使從表面1追跡到的真實光線與衍射的高斯光束以相同的角度接觸到表面2。從這點出發(fā)，我們可以用通常的光線追跡方法來處理衍射光束，前提是此處衍射是由最小孔徑引起的。

尋找一個光束追跡，它根據(jù)近軸高斯光束理論對光束的任意位置進行評估。

在命令窗口中輸入 BEAM

注意，由于衍射，表面 2 上的光束半徑大于表面 1 上的光束半徑。現(xiàn)在在光瞳點（0，0.5）處追跡真實光線，該點位于 1 / e ** 2點。

在命令窗口中輸入 RAY P 0 0 .5 SURF

該真實光線的路徑非常接近 BEAM 追跡。我們現(xiàn)在有一個工具，只要光束在系統(tǒng)的早期擴展，就可以讓您使用真實光線分析和優(yōu)化這樣的系統(tǒng)。（因此衍射在此后幾乎沒有影響），這種實際光線應(yīng)用粗略估計是有用的并且易于設(shè)置。

復(fù)雜

但有時會非常復(fù)雜。例如，假設(shè)腰部有一個元件。如果厚度編號1為零，或者如果該表面不是虛擬的，則程序無法進行上述調(diào)整。相反，調(diào)整幾何體，以便它可以追跡 OBA 物面（有限物距）

    TH0 = 1.0E14    
    YP0 = TH0 * DIV    
    YMP1 = WAIST * RBS    
    YP1 = 0.0

因此，物體在無窮遠處入瞳半徑是輸入 OBG 束腰半徑的函數(shù)。在這種情況下，程序仍然可以進行光束分析，但是衍射并沒有像以前那樣考慮真實光線。然而，如果第一個元件擴展了光束，那么衍射就起不到什么作用，這仍然是一個有用的方法。

但是，如果光束在傳輸中有一個或多個表面或元件孔徑非常小，該怎么辦？假設(shè)一個擴束器位于束腰一米處，并且沿途有幾個反射鏡。首先描述的技巧僅在表面 1 和 2 之間進行操作，請記住，在這種情況下，其他表面之間的衍射將被忽略但在此情況下不會被忽略。還有另外一個技巧，而且非常簡單。

你所做的是將一米的厚度分配給表面 1（或者擴展器之前的任何距離），在該距離處放置一個虛擬表面2，然后指定一個減去一米的厚度（或者需要的任何東西） 第一個反射鏡或鏡子到表面2.現(xiàn)在程序可以調(diào)整束腰的光束屬性，以便在虛擬表面 2 處考慮衍射。如果追跡真實光線，它將在同一個地方到達表面 2 正如高斯光束那樣，你可以根據(jù)第一條規(guī)則從那里折射。

光束輪廓

讓我們看一下高斯光束。輸入以下 AI 句子：

PLOT TRANS FOR YEN = -1 TO 1

這顯示了其中完美高斯形狀。還有其他方法可以看到形狀。在第11 課中，我們將展示如何編寫一個宏來通過 COMPOSITE 像差格式繪制輪廓，第 12 課展示如何設(shè)計一個簡單的系統(tǒng)來擴束并同時產(chǎn)生均勻的強度。我們展示了衍射傳播程序 DPROP 如何分析改進的能量分布，給出了另一種分析這種光束的方法。

對圖像的影響

為了完成本課程，我們輸出衍射圖案。由于光束是高斯光束，因此遠視場圖像的形狀也是高斯的。轉(zhuǎn)到 MDI 對話框，選擇 PSPRD 圖。

實際上，我們看到根本沒有衍射環(huán)！這是高斯光束的特性。衍射主要發(fā)生在光束的邊緣，如果該邊緣非常模糊，則下降到比中心低得多的值，則邊緣處的衍射不起作用。

要了解有關(guān)高斯光束，包括非圓光束和光束質(zhì)量的影響，請在命令窗口中鍵入 HELP OBG。

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