光束整形的案例
VirtualLab運用：衍射光束整形鏡的優化
VirtualLab Fusion：基本工具箱+衍射工具箱
1.建模任務
?這個案例演示了設計一個理想化微結構的光束整形鏡。
?光束整形鏡產生一個任意相位調制（非離散相位級次）。
?反射鏡將高斯激光束整形成一個圓形高帽。
?這個案例將演示計算反射鏡的光學函數。
?在開始此案例之前，我們迫切建議您閱讀案例LBS.001和545。
入射激光光束
?波長：632.8nm
?激光光束直徑（1/e2）：2.5mm
?發散角（全角1/e2）：≈0.01°
?M2值：1
目標平面上期望強度分布
?直徑（FWHM）；3mm
?邊緣寬度（能量從90%衰減到10%）：70um
?效率：>90%
?信噪比（SNR）：>40dB
2.設計概念
?設計沒有離散相位級的光束整形透過函數。
?第一步：忽略反射鏡并且計算一個衍射光束整形器的透過率函數。
?第二步：由透射光束整形器的光學函數計算反射鏡的光學函數。
展開 VirtualLa Fusion：折射光束整形元件參數優化以實現圓形高帽整形
案例307.01
這個例子演示了由折射光束整形器會話編輯器來設置光束整形器系統。生產的系統的光學性能可以由VirtualLab Fusion的參數優化得到改善。
1.建模任務
2. 系統設置的會話編輯器
? 應用折射光束整形器會話編輯器輔助搭建標準的光束整形系統。
? 必須指定入射光束，光學設置和輸出場的參數。
? 所有參數的會話編輯器都存儲在該文件中“Scenario_307.01_Refractive_Top_Hat_Beam_Shaper_1.seditor”
（1）設置入射場參數，波長為632.8nm，腰束直徑為8mm
（2）光學設置選擇Fresnel Setup
（3）設置到輸出場的距離為200mm
（4）輸出場整形設置：維度為2D Top Hat，Circular Shape形狀。
（5）設置期望的Top Hat尺寸
（6）評價函數設置
（7）光束整形器孔徑直徑設置（默認情況下自動設置）
（8）選擇整形器材料以及設置中心厚度
（9）確定光束整形器非球面系數級次范圍
點擊Finish，完成設計
3. 由會話編輯器生成系統
會話編輯器生成一個包含高斯波光源，光學界面系列元件的光路圖，來模擬光束整形器和衍射光學價值函數探測器，來分析生成的Top Hat質量。
? 通過一個解析幾何光學方法，會話編輯器計算光束整形表面。
展開 VirtualLab運用：折射光束整形元件參數優化以實現圓形高帽整形
案例307.01
這個例子演示了由折射光束整形器會話編輯器來設置光束整形器系統。生產的系統的光學性能可以由VirtualLab Fusion的參數優化得到改善。
1.建模任務
2. 系統設置的會話編輯器
?應用折射光束整形器會話編輯器輔助搭建標準的光束整形系統。
?必須指定入射光束，光學設置和輸出場的參數。
?所有參數的會話編輯器都存儲在該文件中“Scenario_307.01_Refractive_Top_Hat_Beam_Shaper_1.seditor”
（1）設置入射場參數，波長為632.8nm，腰束直徑為8mm
（2）光學設置選擇Fresnel Setup
（3）設置到輸出場的距離為200mm
（4）輸出場整形設置：維度為2D Top Hat，Circular Shape形狀。
（5）設置期望的Top Hat尺寸
（6）評價函數設置
（7）光束整形器孔徑直徑設置（默認情況下自動設置）
（8）選擇整形器材料以及設置中心厚度
（9）確定光束整形器非球面系數級次范圍
點擊Finish，完成設計
3. 由會話編輯器生成系統
會話編輯器生成一個包含高斯波光源，光學界面系列元件的光路圖，來模擬光束整形器和衍射光學價值函數探測器，來分析生成的Top Hat質量。
?通過一個解析幾何光學方法，會話編輯器計算光束整形表面。
展開 VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優化（1）
VirtualLab Fusion：基本工具箱+衍射工具箱
1.建模任務
? 這個案例演示了設計一個理想化微結構的光束整形鏡。
? 光束整形鏡產生一個任意相位調制（非離散相位級次）。
? 反射鏡將高斯激光束整形成一個圓形高帽。
? 這個案例將演示計算反射鏡的光學函數。
? 在開始此案例之前，我們迫切建議您閱讀案例LBS.001和545。
入射激光光束
? 波長：632.8nm
? 激光光束直徑（1/e2）：2.5mm
? 發散角（全角1/e2）：≈0.01°
? M2值：1
目標平面上期望強度分布
? 直徑（FWHM）；3mm
? 邊緣寬度（能量從90%衰減到10%）：70um
? 效率：>90%
? 信噪比（SNR）：>40dB
2.設計概念
? 設計沒有離散相位級的光束整形透過函數。
? 第一步：忽略反射鏡并且計算一個衍射光束整形器的透過率函數。
? 第二步：由透射光束整形器的光學函數計算反射鏡的光學函數。
第一步
優化一個衍射光束整形器的透過率函數
1.
展開 
折射光束整形元件參數優化以實現圓形高帽整形
案例307.01
這個例子演示了由折射光束整形器會話編輯器來設置光束整形器系統。生產的系統的光學性能可以由VirtualLab Fusion的參數優化得到改善。
1.建模任務
2. 系統設置的會話編輯器
? 應用折射光束整形器會話編輯器輔助搭建標準的光束整形系統。
? 必須指定入射光束，光學設置和輸出場的參數。
? 所有參數的會話編輯器都存儲在該文件中“Scenario_307.01_Refractive_Top_Hat_Beam_Shaper_1.seditor”
（1）設置入射場參數，波長為632.8nm，腰束直徑為8mm
（2）光學設置選擇Fresnel Setup
（3）設置到輸出場的距離為200mm
（4）輸出場整形設置：維度為2D Top Hat，Circular Shape形狀。
（5）設置期望的Top Hat尺寸
（6）評價函數設置
（7）光束整形器孔徑直徑設置（默認情況下自動設置）
（8）選擇整形器材料以及設置中心厚度
（9）確定光束整形器非球面系數級次范圍
點擊Finish，完成設計
3. 由會話編輯器生成系統
會話編輯器生成一個包含高斯波光源，光學界面系列元件的光路圖，來模擬光束整形器和衍射光學價值函數探測器，來分析生成的Top Hat質量。
? 通過一個解析幾何光學方法，會話編輯器計算光束整形表面。
展開 VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優化（2）
本文接上一篇《VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優化（1）》
6.計算經過透過率函數之后的場
? 經過光束整形器后的光場應該稱為Eout(x,y),接下來我們將對其進行計算。
? 從衍射光束整形器對話框的優化文檔中可以提取計算光束整形器透過率函數。
? 選擇衍射光束整形器對話框，然后單擊Next。
? 點擊“提取（Extract）”按鈕來計算包括孔徑函數的光束整形透過率函
? 優化后的光束整形器透過率函數，包括振幅和相位函數。
? 默認情況下相位視圖僅僅顯示用于入射光再整形所需的像差。
? 為了顯示包括透鏡函數的完整相位調制，在相位視圖上單擊鼠標右鍵按鈕，并選擇顯示球面相位因子（Show Spherical Phase Factor）或者在View標簽下選擇顯示球面相位因子（Show Spherical Phase Factor）。
第二設計步驟
優化衍射光束整形鏡的光學函數
1.計算經過透過率函數之后的光場
? 將照明光束和相位透過率函數相乘，即得到透過率函數之后的場Eout(x,y)。
? 相互激活這兩個場后，然后按“*”鍵或點擊Manipulation→Array-Array Operation→Multiplication，并且選擇這兩個窗口和選擇Multiplication。
? 保留生成的場。它將用于計算光束整形鏡的光學函數。
2. 計算鏡的光學函數
計算反射鏡的光學函數需要計算入射激光光束和反射鏡平面上的反射激光光束。
? 在鏡平面上計算照明激光光束
? 使用光路圖Sc559_Design Beam Shaping Mirror_1.lpd。
展開 Zemax案例 | 光束整形技術及其應用
引言
在現代光學技術領域，激光器輸出的高斯光束因強度分布不均導致能量利用率受限，光束整形技術作為提升光束均勻性、適配多場景應用的核心手段，已廣泛滲透激光加工、光纖通信、醫療設備、激光雷達等關鍵行業[1]。從非球面透鏡組的校正到液晶空間光調制器（LC-SLM）的動態調控，光束整形技術的迭代升級始終離不開專業光學設計軟件的支撐。Zemax作為應用廣泛的光學系統設計與仿真平臺，憑借其強大的建模能力、準確的仿真算法和全流程優化工具，成為光束整形系統研發的核心驅動力。本文結合現有學術研究成果，解析Zemax在靜態與動態光束整形技術中的應用價值。
光束整形技術
激光器輸出的高斯光束呈中心強、邊緣弱的鐘形分布，能量利用率低的短板嚴重制約其在高端應用中的表現。光束整形技術通過光學元件調控光束的振幅、相位與偏振態，將高斯光束轉換為平頂光束、環形光束等特定分布形式，從而提升能量均勻性與利用效率。根據光學元件的調控特性，該技術可分為靜態光學元件整形與動態光學元件整形兩大類，前者包括非球面透鏡組、雙折射透鏡組、衍射光學元件（DOE）、微透鏡陣列等，后者以液晶空間光調制器（LC-SLM）為核心代表。
近年來，光束整形技術的應用需求持續升級：激光加工領域需高精度平頂光束提升切割、焊接的一致性；光纖通信中需優化光束耦合效率以減少信號損耗；醫療場景要求光束能量密度適配手術需求，避免損傷健康組織；激光雷達則依賴動態光束調控提升目標探測精度。這些需求對光學系統的設計精度、仿真可靠性和迭代效率提出了嚴苛要求，而專業光學設計軟件通過一體化的設計與仿真解決方案，為這些技術挑戰提供了高效突破路徑。
靜態光學元件整形系統：
技術原理與設計要點
靜態光學元件整形系統憑借結構穩定、成本可控的優勢，在中低功率激光應用中占據主要地位。
展開 衍射光學元件光束整形、分束和擴散
衍射光束分束器可以產生以下的光分布：
? 普通的點陣列
? 點線
? 任意的2D圖案斑點
由衍射光分束器產生的圖案斑點
衍射擴散器
衍射擴散器是可以產生大量重疊衍射級次的確定性的散射元件。因為衍射級次的重疊,衍射光斑可能會出現與入射激光相干性相關的散斑。
擴散器一般與準直透鏡，聚焦透鏡，光束擴束器和傅里葉透鏡一起使用。光學分辨率一般由透鏡系統控制，而衍射擴散器控制強度分布。衍射擴散器可以產生如下的光分布：
? 矩形和圓形高帽
? 線形散射光斑
? 十字叉絲圖案
? 網格圖案
? 任意2D強度分布
衍射擴散器產生的光圖案
衍射光束整形器
衍射和折射光束整形元件一般用于相干激光光束的強度整形。這些元件可以產生非常均勻的無散斑圖案。
光束整形器常和準直透鏡，聚焦透鏡，光束擴束器和傅里葉透鏡一起使用。光學分辨率一般由透鏡系統控制，而強度分布由衍射光束整形器控制。光束整形器可以產生如下的光分布：
? 矩形和圓形高帽
? 均勻線形光斑
? 環形模式
? 厄米高斯和拉蓋爾高斯模式
? 任意的2D強度圖案
光束整形器元件產生的高帽輪廓環形模式
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
操作原理非常簡單：對于準直入射光束，輸出光束以預先設計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設計好的尺寸和形狀。 DOE的常見應用包括醫療系統、測量以及科學/研究應用——特別是DOE提供的激光束成形和均勻化技術對于材料加工至關重要1。
雖然DOE用途廣泛，功能強大，但由于功能強烈依賴于光波波長2 ，其具有很高的色散效應。當使用USP激光器時，由于脈沖持續時間短，可能會產生異常的光譜特性，這一現象引起了人們的關注。由于工作波長不同于其標稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產生影響，因此當使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預測整形光斑將如何變化。
根據傅里葉理論，時域中的脈沖持續時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導致USP激光器呈現時間色散效應。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應于100 fs脈沖。
光束整形與分束
DOE產品有兩個主要系列：分束器和光束整形器。分束器是用于將單個激光束分成幾個具有不同能量水平和傳播角度光束的DOE。根據元件表面上的衍射圖案，分束器可以產生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。光束分束器與單色光一起使用，并被設計用于特定的波長和輸出光束之間的分離角。
光束整形器是用于將近高斯入射激光束變換成在特定工作平面中具有明顯邊界的圓形、矩形、正方形、線或其它形狀的強度均勻光斑的DOE。通過光束整形器實現的均勻強度分布能夠均勻地處理表面，防止對工件的過度曝光或曝光不足。此外，光斑的特征在于存在一個鮮明的過渡區，使得在處理區域和未處理區域之間形成清晰的邊界。光束整形器包括均化器，平頂光束整形器，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射錐透鏡。
展開 VirtualLab運用：反射光束整形系統
總結
實現并分析高性能離軸和無色散反射光束整形裝置。
1.模擬
通過使用光線追跡來驗證反射光束整形設置。
2.研究
為了計算場分布和評價光束參數，應用幾何場追跡+（GFT+）引擎。
3.優化
通過使用顯示出高斯整形孔徑函數和經典場追跡引擎來優化M2參數。
4.分析
通過應用蒙特卡羅公差來分析取向偏差的影響。
可以使用VirtualLab Fusion非常有效地模擬和分析復雜的光束整形裝置，尤其是離軸系統。為此，根據情況應用不同的模擬引擎。
衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
由于工作波長不同于其標稱值，USP的寬光譜范圍會對使用DOE的光束整形產生影響，因此當使用一定范圍的波段而不是單個波長時，需要預測整形光斑將如何變化。
根據傅里葉理論，時域中的脈沖持續時間越短，頻域中的頻譜寬度越大。這導致USP激光器呈現時間色散效應。對于中心波長為800nm的高斯脈沖，典型的脈沖展寬為Δλ= 1 nm，對應于1000 fs脈沖，Δλ= 10 nm對應于100 fs脈沖。
光束整形與分束
DOE產品有兩個主要系列：分束器和光束整形器。分束器是用于將單個激光束分成幾個具有不同能量水平和傳播角度光束的DOE。根據元件表面上的衍射圖案，分束器可以產生一維光束陣列（1×N）或二維光束矩陣（M×N）。光束分束器與單色光一起使用，并被設計用于特定的波長和輸出光束之間的分離角。
光束整形器是用于將近高斯入射激光束變換成在特定工作平面中具有明顯邊界的圓形、矩形、正方形、線或其它形狀的強度均勻光斑的DOE。通過光束整形器實現的均勻強度分布能夠均勻地處理表面，防止對工件的過度曝光或曝光不足。此外，光斑的特征在于存在一個鮮明的過渡區，使得在處理區域和未處理區域之間形成清晰的邊界。光束整形器包括均化器，平頂光束整形器，渦旋透鏡（螺旋相位板）和衍射錐透鏡。
分束器和光束整形器可以與多模（MM）或單模（SM）輸入光束一起使用，并且由于其制造的材料的高損傷閾值，可以用于大功率激光系統，包括如熔融石英，硒化鋅（ZnSe）和藍寶石。
圖2. 基于簡單光線追跡原理（a）的衍射錐透鏡產生圓環; 錐透鏡DOE的輸入脈沖是800 nm高斯脈沖或100 fs USP對錐透鏡出射的結果（b和c）影響不大。
展開 
VirtualLab運用：設計一個折射光束整形器來生成一個圓形平頂光束
光束整形＞折射光學
任務描述
亮點
用戶友好界面引導設計一個光束整形元件，從而將高斯激光光束整形成一個圓形平頂光束。
說明：光源
說明：光束整形元件
說明：定義優化函數
說明：探測器
結果：整形光束&轉換值
文件&技術信息
近期推薦：
高速物理光學仿真軟件-VirtualLab Fusion基礎培訓2018.1.22-1.23上海：http://www.honglun-seminary.com/2018/vf122.html
FRED初級操作培訓 1月18-19日 上海 http://www.honglun-seminary.com/2018/fred118.html
展開 VirtualLab運用：設計和優化衍射光束整形元件來生成矩形高帽
1.簡介
這個示例演示了一個典型的光束整形的任務。
展示了可能的期望需求，設計，優化和一個能夠生成無散斑高帽的衍射光學元件(DOE)的相位透過率函數的分析。
2．模擬任務
DOE：
相位型衍射
光束整形器
直徑：2mmx2mm
形狀：圓形
相位級次：16
3.建模任務：入射光場
高斯準直激光光束的光束參數
?波長：632.8nm
?激光光束直徑（1/e2）：1mm
4.建模任務：期望輸出光場
期望輸出場的參數=設計目標圖樣（DTP）:
?FWHM-直徑：0.5mm
?邊緣寬度：50um
?效率：>95%
?信噪比（SNR）：>30dB
?雜散光：<5%
5.設計方案
?VirtualLab Fusion的衍射光學工具箱提供不同的輔助會話的編輯器來設計光操控元件-主要是衍射光學元件（DOEs）。
?對于當前案例，我們使用衍射光束整形器會話編輯器（Diffractive Beam Shaper session editor）。
6. 衍射光束整形器會話編輯器
?會話編輯幫助配置實際的設計和優化文檔。
?用戶必須輸入所需的信息
-入射場
-期望的輸出場=設計目標圖樣（DTP）
-系統參數
-制造條件
7.設計過程
設計和優化過程由兩步完成：
1.基于幾何光學進行一個初始的設計。
2.基于迭代傅里葉傳輸算法（IFTA）進行后續的優化。
8.系統模擬
?設計和優化后，IFTA文檔可以計算感興趣的優化函數。
展開 VirtualLab運用：研究基于SLM的光束整形裝置中的透鏡像差
光束整形＞衍射光學
任務/系統描述
亮點
?對使用空間光調制器（SLM）的光束整形進行仿真
?研究不同透鏡的像差對光束整形質量的影響
說明：光源
說明：SLM像素陣列
說明：真實透鏡#1
說明：真實透鏡#2
說明：真實透鏡#3
說明：探測器
結果：3D光線追跡
結果：光強分布（遠場）
文件&技術信息
VirtualLab運用：基于SLM光束整形系統中光學系統像差的研究
光束整形應用需要高性能和低像差的光學系統，如非球面系統。
