如何在OpticStudio中模拟激光光束传播(一):高斯光束理论和基于光线的方...
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在OpticStudio中模拟激光光束传播的方法之一是采用基于光线的方式。本系列文章将分三篇介绍模拟高斯光束传播的三种方法，本文为系列的第一篇，重点讲解基于光线的方法。
高斯光束理论指出，一个理想的束腰为w0的高斯光束可以由束腰位置、瑞利距离和光束尺寸随距离变化的特性描述。瑞利距离zR是光束尺寸变化的关键参数，当光束传播距离远大于瑞利距离时，光束可近似为平行光束；当距离远小于瑞利距离时，光束尺寸变化缓慢，可近似为点光源。
基于光线的高斯光束建模在几何光学中实现，通过光线追迹建立光学系统模型。对于近轴高斯光束，瑞利范围内光束尺寸变化缓慢，可以模拟为平行光束；在远超出瑞利范围时，光束尺寸随传播距离线性变化，模拟为点光源。
示例中，使用单透镜建立激光聚焦系统，假设激光器参数，通过高斯光束理论计算束腰和瑞利距离。计算表明光束在距激光输出口100毫米处光束距束腰的传播距离为111.1 mm，远大于瑞利距离，因此使用点光源模拟光束更为合适。
在OpticStudio中，设置系统选项和镜头数据编辑器，输入表面数据，利用操作数RANG设置目标光束发散角度。优化后，物面厚度调整至106.108毫米，边缘光线以9 mrad的角度击中表面2。优化结果显示，基于光线的方法将束腰置于激光输出面表面1的前面（或左边）106.108毫米处，设置合适的光束发射位置。
下一步，优化单透镜，使光束聚焦到距离激光输出面表面1处100毫米远时具有最小光斑尺寸。快速局部优化后，光斑尺寸从1.086 mm减小至0.122 µm，远小于标准点列图分析窗口报告的艾里斑半径18.11 µm，表明系统处于衍射极限内。
基于光线方法的验证显示，通过优化得到的最小光斑位置与近轴高斯光束工具计算出的最小高斯光束尺寸位置相符。这表明，基于光线的优化方法能够有效地找到产生最小几何光斑的成像位置。
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