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高斯光束是光束在垂直于光轴平面上的电场可由高斯方程表示，有时还会有附加的抛物线型相位曲线。高斯光束的重要性体现在以下几个重要特性上：在光轴的任意位置处高斯光束的强度横断面曲线都是高斯型，只是光束半径会发生变化。通过一些简单的光学元件后（例如，无象差透镜）。当腔内不存在光束畸变的情况下，高斯光束为光学谐振腔的ZUI低阶模式（谐振腔模式）。因此许多激光器的输出都是高斯光束。单模光纤中的模式形状接近于高斯型。通常在计算中会采用高斯近似因为这在计算光束传播情况时相对简单。高阶模式对应的是厄米-高斯型。场分布更加复杂，光束参量乘积更大。高斯模式分析可以推广到光束质量差的光束中，需要采用M2因子。关于光斑大小的查询，其实问的就是光斑的束腰直径或束腰半径。束腰，是指高斯光绝对平行传输的地方。半径，是指在高斯光的横截面考察，以ZUI大振幅处为原点，振幅下降到原点处的0.倍，也就是1/e倍的地方，由于高斯光关于原点对称，所以1/e的地方形成一个圆，该圆的半径，就是光斑在此横截面的半径；如果取束腰处的横截面来考察，此时的半径，即是束腰半径。沿着光斑前进，各处的半径的包络线是一个双曲面，该双曲面有渐近线。高斯光束的传输特性，是在远处沿传播方向成特定角度扩散，该角度即是光束的远场发散角，也就是一对渐近线的夹角，它与波长成正比，与其束腰半径成反比，故而，束腰半径越小，光斑发散越快；束腰半径越大，光斑发散越慢。我们用感光片可以看到，在近距离时，准直器发出的光在一定范围内近似成平行光，距离稍远，光斑逐渐发散，亮点变弱变大；可是从光纤出来的光，很快就发散；这是因为，准直器的光斑直径大约有微米，而光纤的光斑直径不到10微米。同时，对于准直器ZUI大工作距离的定义，往往可理解为该准直器输出光斑的共焦参数，该参数与光斑束腰半径平方成正比，与波长成反比，计算式是：3.*束腰半径*束腰半径/波长。所以要做成长工作距离（意味着在更长的传输距离里高斯光束仍近似成平行光）的准直器，必然要把光斑做大，透镜相应要加长加粗。从高斯函数，我们可以计算当通光孔径多大时，光能的损失是多少，并不是通光区直径等于或略大于光斑直径时，光能就可以完全通过，事实上，此时的损耗高达0.6dB。简单的估计，是让通光直径是光斑的2倍或以上。本系列的三篇文章旨在介绍如何创建一个高斯光学、如何分析光束通过光学系统时的传播和如何使用上述三种方式优化至ZUI小光斑。本文也会介绍适用于特定情况的ZUI佳模拟方式。有以下三种工具可在OpticStudio的序列模式中模拟高斯光束传播：

基于光线的方式利用几何光线追迹来建模光束传播。

近轴高斯光束计算高斯光束通过近轴光学系统传播时的各种光束数据，包括光束尺寸和束腰位置。

POP通过传播相干波前来模拟激光光束，能对任意相干光束进行详细的研究。

本文将介绍方法2-用近轴高斯光束模拟激光光束传播。该工具在分析(Analyze)...激光和光纤(LasersandFibers)...高斯光束(GaussianBeams)…近轴高斯光束(ParaxialGaussianBeam)中。近轴高斯光束分析是一种交互式功能，可以作为一个“计算器”快速计算高斯光束的特性。该功能需要定义初始输入光束的属性及其M2值，来模拟理想模式和混合模式的高斯光束。它的优点是允许您输入理想模式和混合模式(M21)两种状态的高斯光束，并显示光束传播至光学系统每个表面时的光束数据。其限制在于高斯光束参数的计算是基于近轴光线数据的，因此对于像差较大或不能用近轴光学描述的系统（如非旋转对称系统）而言，计算结果可能不准确。该功能也忽略了所有的光阑，并假设高斯光束在系统中所有透镜的光阑内都能良好地传播。

输入光束由其波长、束腰尺寸（半径）和束腰位置定义，其中束腰位置由光束束腰距系统中表面1的距离定义。

M2因子：理想的M2值是1，但真正激光器的M2值总是大于1。

OpticStudio将输入光束通过透镜系统传播，在每个表面上计算出光束尺寸、光束发散角和束腰位置，并在输出窗口中显示数据。OpticStudio将计算X和Y两个方向上的高斯光束参数。示例我们将处理与第一部分相同的问题，设计一个单透镜激光聚焦系统。设计要求是一样的：

名义波长=nm

在距激光出射口5mm处测得：

光束直径为2mm

光束发散角为9mrad

已知波长和远场发散角，由式(1)到式(3)计算出束腰为0.mm，瑞利距离为1.mm。使用近轴高斯光束分析工具对该系统建模，使光束光斑在距离激光输出毫米处具有ZUI小尺寸。初始系统与基于光线的方式的初始系统非常相似。唯一的区别是近轴高斯光束分析不允许光束在物面（表面0）处开始传播，因此需要在物面后插入一个虚拟面。可将物面的厚度设置为0，表示虚拟面与物面处于同一位置，且光束将从这个虚拟面发射。首先，输入mm作为虚拟表面的厚度，并将其设置为优化变量。我们将

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