椭圆光斑整形 | SYNOPSYS 光学设计软件第85课
一.概述
自被世人提出并正式问世以来，激光已经走过了一百多年的历史，随着时间的推移，激光技术的不断成熟，激光的特性与电子、电脑以及光学材料等开始了深度融合，激光的应用领域也从最初的材料加工、科研与军事领域逐步拓展至通信、存储、医疗美容、仪表仪器、传感器等更加细分的市场。
随着激光应用范围的日益增长，不同应用领域开始对激光的照明光斑形状、照明均匀度和出光波前等提出不同的特殊要求，如在聚酯纤维表面处理、印刷材料表面处理等领域中，要求激光照明光斑为均匀的矩形光斑；在光盘系统等光存储需要更高的聚焦能力来增大存储容量。然而，激光束光强一般呈高斯分布，中心光强极强，四周光强相对较弱，能量分布很不均匀，这一特性使得激光并不能直接应用，往往需要对激光进行一些加工来满足应用需求。
图一 激光光斑整形匀化
图二 高斯光束焊接（左）与平顶光束焊接（右）
二. 设计要求
波长：0.6328um
入射光束：圆型光斑，束腰半径0.1mm。
出射光束:椭圆光斑，Y向束腰半径0.04mm，X向束腰半径0.02mm。
结构紧凑，整形系统不超过50mm。
准直出射。
将椭圆光斑整形成圆形光斑，考虑通过两个柱面镜，分别对X向与Y向光斑大小进行整形。柱面镜是X轴和Y轴半径不同的一种透镜，仅有一个方向是球面，因此透镜的形状为圆柱形或半圆柱形。柱面镜类似于球面镜，它们均使用曲面对光线进行发散和聚焦，但柱面镜仅在一个方向上具有光强度，并且不会影响垂直方向上的光线。因此如果需要对光源进行一维整形，柱面镜是不错的选择，整形系统设计如下：
通过物方向导设置高斯光斑初始属性，因为光斑具有X、Y二维，需要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
查看入射光斑是否符合设计的圆形光斑，在命令行窗口中输入 BEAM 与 XBEAM 分别查看Y向束腰半径与X向束腰半径。
在命令行中输入：DPROP P 0 0 1 GEOM 3 L RESAMPLE，查看光斑形状。
初始结构设置完成，将柱面镜的柱面系数设置为变量，并对出射光束在Y-Z平面与X-Z平面的夹角进行限制，以保证平行出射。
优化宏和镜头结构
优化好的结构如图所示：
通过透视图来查看光斑整形效果。
可以看见，像面成一个圆形。光线并没有铺满像面。
在命令行中输入：DPROP P 0 0 6 GEOM 3 L RESAMPLE，查看光斑形状。
再次输入 BEAM 和 XBEAM。
在通过 SPEC 查看系统的总长。
整体达到了设计要求。
