引言：
在Zemax的序列模式中，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。
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。 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发光的情况。如下图所示： 在瑞利范围内类似平行光束 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最佳聚焦。已知波长和发散角，可以求得束腰半径ω0和瑞利距离zR：再由束腰半径ω0和瑞利距离zR，计算出光束到达测量位置时光束距束腰的传播距离z：由以上计算结果可知，z>>zR，所以该激光光束可以按照点光源来模拟。设计需求，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毫米处具有最小尺寸。本实例参考support.zemax.com/中文帮助/激光和光纤/高斯光束（https://support.zemax.com/hc/zh-cn/articles）。在孔径类型中选择“Float By Stop Size”，切趾类型（Apodization Type）选择“Gaussian”，切趾因子（Apodization Factor）输入1.0，此时，瞳孔边缘的振幅降到峰值的0.3678，光强度降至峰值的0.135（1/e2）。物面为激光束腰位置，按照以上计算，在厚度栏输入“105.5”。表面2为光阑面，距离激光出射口5mm，这是用来表示测量高斯光束尺寸和发散角的虚拟表面。并且，将表面2的半直径值设定为1 mm，以匹配给定的2 mm激光束直径。这表示表面6距离表面1（激光出射口）的距离为100mm。在MFE中设置RANG操作数，目标值设为9mrad，权重为1，并将物面的厚度值设置为变量。现在优化单透镜，使它将光束聚焦到离激光输出面表面1处 100 mm远时具有最小光斑尺寸。打开MFE，使用优化向导设置评价函数编辑器，如下图：此时，光斑大小为0.214um，处于衍射极限之内。激光光束在空间中传播时会产生衍射效应，这是无法用基于光线的方法来模拟的。此时，基于的光线计算报告的聚焦光斑大小是不准确的，但优化找到最佳聚焦位置是有意义的。使用一维通用绘图 (1D Universal Plot) 分析作为像平面位置的函数计算得到的近轴高斯光束尺寸。上图显示了像平面位置的函数计算得到的近轴高斯光束尺寸。可以看出，高斯光束在约87 mm的后焦距时达到最小，这与以上设置的后焦距非常接近。这表明，可通过基于光线的优化得到产生最小的几何光斑的成像位置，也可由近轴高斯光束工具计算出的最小高斯光束尺寸。与此同时，在该系统中，基于光线的最小光斑位置与最小高斯光束尺寸的位置吻合良好。 | 
