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。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0.36788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400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：3.1415926*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。本系列的三篇文章旨在介绍如何创建一个高斯激光光源、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。
OpticStudio序列模式提供了三种模拟光束传播的工具:基于光线的方式。 此工具用几何光学追迹模拟光束传播。 近轴高斯光束。 此工具模拟高斯光束且在光线通过近轴光学系统时报告包括光束尺寸和束腰位置的光束数据。 物理光学传播 (POP)。此工具通过传播相干波前来模拟激光光束传播，因此允许对任意相干光束进行非常详细的研究。
这个系列的三篇文章旨在介绍如何用三种方式模拟高斯光束。在本文中我们将介绍方法一：如何用基于光线的方式来模拟激光光束传播。一个束腰为w0的理想高斯光束可以用以下三个参数中的任意两个进行描述，如图下所示：基于光线的高斯光束建模方法 几何光学通过光线追迹来建立光学系统的模型。光线是虚构的线，它代表恒定相位表面或者波阵面的法线（参见“光线是什么？”了解更多细节）。对于近轴高斯光束，在瑞利范围内，z < zR，光束尺寸变化非常缓慢。在这种情况下，光束可以被模拟为平行光束。在远超出瑞利范围时，z >> zR，光束的尺寸随传播距离呈线性变化，可以将光束模拟为点光源。如下图所示： 在瑞利范围内类似平行光束 在本例中，我们将使用单透镜建立一个激光聚焦系统，并演示如何使用基于光线的方法来优化ZUI佳聚焦。名义波长= 355 nm 在距激光出射口 5 mm 处： 测得光束直径为 2 mm 测得光束发散角为 9 mrad
已知波长和远场发散角，由式 (1) 到式 (3) 计算出束腰为0.0125 mm，瑞利距离为1.383 mm。将使用单透镜对光束进行聚焦，其目标是优化系统使得光束在距激光输出口100毫米处具有ZUI小尺寸。首先我们将使用基于光线的方法对该系统建模。如前文所示，当使用光线来模拟高斯光束时，我们需要知道传播范围是在瑞利范围之内还是之外，这将决定是使用点光源还是准直的光线束来模拟光束。在本示例中，我们知道束腰位置在激光器外壳的内部。利用式 (1)，计算得到束腰为0.0125 mm 以及瑞利距离为1.383 mm，此时我们可以计算出光束到达测量位置时光束距束腰的传播距离z约为111.1 mm。由于这个传播距离比光束的瑞利范围大得多 (z>>zR)，所以此光束可用点光源来模拟。
在系统选项 (System Explorer) 中:在波长 (Wavelengths) 中输入0.355 um。 在系统孔径 (Apertures) …孔径类型 (Aperture Type) 中输入光阑尺寸浮动。 在系统孔径 (Apertures) …切趾类型 (Apodization Type) 中输入高斯，和系统选项 (System Explorer) …系统孔径 (Apertures) …切趾因子 (Apodization Factor) 中输入1.0。在几何光线追迹中，利用切趾因子在光瞳内产生高斯型振幅变化来模拟入射光对光瞳的照射。设置切趾因子G = 1.0会产生高斯振幅分布，此时光束强度在光瞳边缘处下降到1/e2。此时，光束的宽度或半径设定为与入射光瞳的半径相同。
在镜头数据编辑器 (Lens Data Editor) 中，输入以下六个表面的数据。
利用光束尺寸方程 (1)，首先计算束腰位置，然后将物面设置为束腰位置。 也可以让OpticStudio计算束腰位置。首先猜想并输入的物面厚度值为100 mm，并将其设置为变量。 光阑表面2的半直径值设定为1 mm，以匹配给定的2 mm激光束直径。
光束发散角为9 mrad，在表面2测量。可以用操作数RANG将该信息输入到评价函数编辑器 (Merit Function Editor) 中，如下所示。RANG操作数计算相对于特定表面的局部z轴的光线角度，用弧度表示。设定目标为9 mrad，权重为1.0。
开始优化。优化后物面厚度变为106.108毫米，边缘光线以9 mrad的角度击中表面2。这表明基于光线的方法会将束腰置于激光输出面表面1的前面（或左边） 106.108 mm处。将物面厚度的求解类型 (Solve Type) 从变量 (Variable) 切换为固定 (Fixed) 。现在系统已经设置好了合适的光束发射位置。下一步是优化单透镜，使它将光束聚焦到离激光输出面表面1处 100 mm远时具有ZUI小光斑尺寸。
经过快速的局部优化，光斑尺寸从ZUI初的1.086 mm减小到0.122 µm，这比OpticStudio在标准点列图 (Standard Spot Diagram) 分析窗口中报告的艾里斑半径18.11 µm小得多，表明系统现在处于衍射极限内。在衍射受限情况下，RMS /几何光斑半径在衡量真实光束尺寸时并非一个好的标准（无论光束是高斯或非高斯），因为它没有考虑衍射的影响。OpticStudio提供了其他工具来研究衍射效应，例如 FFT PSF和Huygens PSF，以及物理光学传播 (POP) 工具。在本系列中，我们将不讨论FFT和 Huygens PSF，但在本系列的第三部分中，我们将描述如何使用物理光学传播（POP）作为工具来聚焦该光束。（文章来源：本文转载翻译于Zemax官网，因为能力有限，如文中有什么不当之处请随时联系我们，我们将及时进行修改。） | 
