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Zemax光学设计实例（90）---多高斯激光匀光线光源的设计

2021-12-20 11:02| 发布者：Davis| 查看：835| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了在科研、工业测量等应用场合所需的单一波长线光源，通过多路高斯激光光源在宽度方向的非相干叠加积分，可以获得宽度方向上均匀的线光源。同时使用柱面透镜进行一维展宽，实现高均匀性及更宽的线光源。本文详细描述了Zemax光学设计实例及其设计仿真过程。

引言：

在某些科研、工业测量等应用场合，需要使用到单一波长的线光源。在通常情况下，线光源是在激光光源出射端直接加装柱面透镜或柱面玻璃棒来实现的。

这类线光源要求在光传播方向上呈扇形，因此产生的线光源照度分布并不均匀，在某些高精度测试场合下要求线光源更薄（Δx＜3mm）、更宽（Δy＞200mm），且在Δy方向上照度均匀（＞90%），只通过柱面透镜变换线宽实现的线光源很难达到以上要求。

激光束传播的同一波前各点的振幅是不相等的，以光束截面中心为原点，其振幅与截面半径的关系为

从上式看出，激光束截面振幅分布为高斯分布。

用多路高斯激光光源在宽度方向的非相干叠加积分，可以获得宽度方向上均匀的线光源。

激光束在展宽成线光源之前通常都需要进行扩束准直，这样可以获得更好的光束质量。

经过扩束准直后的单路激光束在x方向和y方向上仍为高斯分布。

为了得到线光源，在y方向上使用柱面透镜进行一维展宽。

此时，单个激光线光源在y方向上照度不均匀，宽度也不够宽，为了实现高均匀性及更宽的线光源，要在y方向上周期排列多个单路激光线光束，可根据单路激光束的尺寸大小及光强分布来说合计调整单路激光排布的周期，这一处理称为在宽度y方向多路高斯分布激光能量的“近线性近似”，从而获得任意宽度且厚度x方向足够薄的高均匀性（＞95%）的线光源。

需要注意的是，线光源均匀性高的有效部分不含线光源的边缘部分，且在不同传播距离，线光源能量分布也会有差异。

设计仿真：

（1）选择非序列模式“Non-Sequential Mode”。

（2）在NSC Editor里输入参数，每一组有一个高斯光源，以及高斯光源对应两个柱面透镜，其作用是分别为y方向展宽和x方向压窄整形。总共有19组

NSC Editor具体设置如下：

设定光源：Object Type选择Source Gaussian，Z Position设置为0，LayoutRays设置为20，Analysis Rays设置为50000，Power设置为1（W），Beam Size设置为0.15（束腰半径），其余参数默认。

设定柱面透镜1：Object Type选择ToroidalLens，Z Position设置为15，Material设置为BK7，RadialHeight设置为4，X Half-Width设置为4，Thickness设置为2，Radius 1设置为-5（柱面曲率半径），其余参数默认。

设定柱面透镜2：Object Type选择ToroidalLens，Z Position设置为30，Tilt About Z 设置为90（表示正交），Material设置为BK7，RadialHeight设置为4，X Half-Width设置为4，Thickness设置为2，Radius 1设置为200，其余参数默认。

以上光源和两个柱面透镜构成一组整形的高斯光源，本例中需要19组整形的高斯光源，参数同上，所不同的是每一组的Y Position不同，分别设置为0、10、-10、20、-20、……、90、-90。

设置探测器：在最后一行设置Detector，Object Type选择Detector Rect：Y Positon设置为0，Z Positon设置为1000，X Half-Width设置为20，Y Half-Width设置为120，# X Pixels设置为50，# Y Pixels设置为256。

查看NSC 3D Layout，如下图：