Zemax案例 | 光束整形技术及其应用

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引言

在现代光学技术领域，激光器输出的高斯光束因强度分布不均导致能量利用率受限，光束整形技术作为提升光束均匀性、适配多场景应用的核心手段，已广泛渗透激光加工、光纤通信、医疗设备、激光雷达等关键行业^[1]。从非球面透镜组的校正到液晶空间光调制器（LC-SLM）的动态调控，光束整形技术的迭代升级始终离不开专业光学设计软件的支撑。Zemax作为应用广泛的光学系统设计与仿真平台，凭借其强大的建模能力、准确的仿真算法和全流程优化工具，成为光束整形系统研发的核心驱动力。本文结合现有学术研究成果，解析Zemax在静态与动态光束整形技术中的应用价值。

光束整形技术

激光器输出的高斯光束呈中心强、边缘弱的钟形分布，能量利用率低的短板严重制约其在高端应用中的表现。光束整形技术通过光学元件调控光束的振幅、相位与偏振态，将高斯光束转换为平顶光束、环形光束等特定分布形式，从而提升能量均匀性与利用效率。根据光学元件的调控特性，该技术可分为静态光学元件整形与动态光学元件整形两大类，前者包括非球面透镜组、双折射透镜组、衍射光学元件（DOE）、微透镜阵列等，后者以液晶空间光调制器（LC-SLM）为核心代表。

近年来，光束整形技术的应用需求持续升级：激光加工领域需高精度平顶光束提升切割、焊接的一致性；光纤通信中需优化光束耦合效率以减少信号损耗；医疗场景要求光束能量密度适配手术需求，避免损伤健康组织；激光雷达则依赖动态光束调控提升目标探测精度。这些需求对光学系统的设计精度、仿真可靠性和迭代效率提出了严苛要求，而专业光学设计软件通过一体化的设计与仿真解决方案，为这些技术挑战提供了高效突破路径。

静态光学元件整形系统：
技术原理与设计要点

静态光学元件整形系统凭借结构稳定、成本可控的优势，在中低功率激光应用中占据主要地位。其核心设计难点在于如何通过光学参数优化，实现光束均匀性与能量利用率的平衡。借助专业光学设计工具的光线追迹、衍射仿真、参数优化等功能，可适配各类静态光学元件的设计需求，大幅缩短复杂光学系统的研发周期。

（1）非球面透镜组

非球面透镜组通过特殊曲率设计校正球差，实现高斯光束到平顶光束的高效转换，其中伽利略型结构因适配大功率场景成为主流选择。论文研究表明，非球面镜的曲率系数、镜片间距、入射光束直径与发散角等参数，直接影响输出光束的均匀性。在光学设计过程中，工程师可完成从模型搭建到仿真验证的全流程工作：

仿真流程：结合论文中的能量守恒公式与光线追迹理论，通过专业设计工具导入光束参数、建立伽利略型非球面透镜组模型，完成仿真验证与参数优化，确定理想入射参数与镜片规格。

仿真成果：张子怡等人^[2]通过拟合曲线发现光束均匀性入射光束直径为1.49mm，边缘陡度最小直径为1.44mm，光束均匀性入射发散角为8.6mrad，边缘陡度最小发散角为8.1mrad。该研究提供了一种根据入射光束直径和发散角来确定整形镜使用位置的方法，从而使得非球面整形镜的应用更为便捷有效。仿真生成的光路图（图1）直观呈现光束传输路径，其实验装置如图2所示。

图1 伽利略型非球面透镜组整形系统

图2 实验装置

（2）双折射透镜组

双折射透镜组利用晶体的偏振特性，通过相位差控制实现光束均匀化，其核心设计在于琼斯矩阵的光学传输建模与曲率半径优化。杨向通等人^[3]通过微调透镜组角度，可将光束填充因子从66%提升至80%，而这一过程的仿真验证可通过Zemax高效完成：

仿真流程：基于论文琼斯矩阵模型，定义双折射晶体关键参数，通过专业设计工具搭建模型、模拟偏振调控过程，优化透镜结构参数以满足相位延迟要求。

仿真成果：可模拟双折射透镜组的偏振调控效果，生成光强透射率曲线，验证填充因子提升效果；同时通过公差分析功能，评估加工误差对整形效果的影响，为工程化生产提供风险预判。仿真图（图3）清晰展示偏振器、双折射透镜、空间滤波器的光路布局与光束传输特性。

图3 双折射透镜整形系统

（3）衍射光学元件（DOE）

衍射光学元件利用光的波动性实现相位与振幅调控，在小型化、集成化光学系统中不可或缺。其设计核心在于通过迭代算法优化相位分布，避免局部最优解。论文中提到的GS算法、混合遗传迭代爬山算法等，均可在专业设计工具中实现集成应用：

仿真流程：输入入射与目标输出光场参数，依托论文相关傅里叶变换理论，通过专业设计工具调用对应迭代算法，优化DOE相位分布并仿真对比不同算法的整形效果。

仿真成果：庞辉等人^[4]利用混合遗传迭代爬山算法设计衍射光学元件，分别利用GS算法和混合算法进行模拟，GS算法得到的衍射效率为98.64%，均匀性为3.23%，而混合算法得到的衍射效率为95.41%，均匀性为0.41%。

（4）微透镜阵列

微透镜阵列通过分割光束并叠加干涉，实现多模激光的均匀化输出，其设计难点在于抑制干涉效应、提升能量利用率。李庞跃等人^[5]为提高线阵半导体激光器的光束均匀性，满足小型扫描成像系统的微型化需求，提出了一体化透镜阵列光束整形系统设计方案。能量利用率达88.79%，均匀性94.51%。

仿真流程：结合Fresnel衍射积分公式，通过专业设计工具建立微透镜阵列模型、定义核心参数，仿真光束均化过程并优化阵列排布，抑制干涉效应。

仿真成果：可模拟微透镜阵列的光束均化效果，生成均化面光强分布仿真图，验证快轴发散角2.8mrad、慢轴发散角48.93%的设计指标；通过能量流分析功能，量化能量利用率与均匀性，为一体化结构设计提供数据支撑。

动态光学元件整形系统

动态光学元件以液晶空间光调制器（LC-SLM）为核心，凭借实时可编程、多参数可调的优势，成为高端光学系统的理想方案。其核心技术在于通过电场调控液晶分子排列，实现光束相位与振幅的动态调制。

（1）LC-SLM的核心仿真原理

LC-SLM的整形效果依赖液晶的电光效应（扭曲向列效应、电控双折射效应），其中相位延迟公式、分子偏转角与电压关系、强度调制公式均为仿真设计的核心理论依据。其仿真流程如下：

物理模型搭建与仿真：结合论文中液晶电光效应相关公式，通过专业设计工具建立LC-SLM模型、定义核心物理参数，完成动态调制仿真与性能优化，验证设计合理性。

（2）动态整形的仿真价值与应用效果

动态性能可视化：可生成LC-SLM动态相位调制的仿真视频，直观呈现不同电压下光束形状的变化过程，验证输出光束与预定目标光斑99.83%的相似度。

多目标优化：针对光束均匀性与能量利用率难以兼顾的问题，通过多目标优化算法，仿真叠加闪耀光栅移除零级光的效果，实现能量利用率72.3%、均匀性97.2%的方形平顶光束。

算法集成适配：支持导入末位淘汰制GSGA混合算法优化后的相位分布函数，仿真结果显示误差平方和降低10.1%，对相位初值的依赖程度降低1个数量级。

图4 液晶空间光调制器整形系统

光束整形技术的行业价值彰显

光束整形技术的应用场景已覆盖多个高端制造与科技领域，借助专业光学设计工具的赋能，该技术的应用价值得到充分释放，推动各行业实现技术升级与效率提升：

（1）激光加工领域

在激光切割、打标、焊接中，优化设计的非球面透镜组与微透镜阵列可生成高均匀性平顶光束，使加工精度提升，材料损耗降低。

（2）光纤通信领域

针对光纤耦合效率低的痛点，仿真优化的双折射透镜组与DOE元件，可将光束耦合效率提升至95%以上，减少信号传输损耗。在5G基站的光模块中，优化设计的光束整形系统实现波长复用与空间复用，使通信带宽提升2倍。

（3）医疗设备领域

在激光手术器械中，可控制光束能量密度分布，避免损伤健康组织。通过优化的LC-SLM动态整形系统，可实现手术光束的实时调整，使手术创伤面积减少，患者恢复周期缩短。

（4）激光雷达领域

在自动驾驶与地形测绘中，借助LC-SLM动态改变发射光束的形状与方向，提升目标探测精度与分辨率。通过优化光束整形系统，探测距离从200m提升至300m，障碍物识别准确率大大提升。

Zemax在光束整形中的优势

在光束整形技术从理论设计到工程落地的全流程中，Zemax作为应用广泛的光学系统设计与仿真平台，其核心优势集中体现为一体化全流程赋能能力，可无缝覆盖静态与动态光束整形系统的设计、仿真、优化与落地全环节，无需多软件切换，大幅提升研发效率与设计精度，成为光学工程师攻克技术难点的核心支撑。

该一体化优势具体落地于全流程各环节：在设计建模阶段，可快速搭建非球面透镜组、DOE、微透镜阵列、LC-SLM等各类光学元件及系统模型，兼容论文中提及的各类物理公式与算法，无需手动编程即可完成复杂模型的构建；在仿真验证阶段，可同步实现几何光学光线追迹、物理光学衍射仿真、偏振调控、电光效应等多物理场耦合仿真，复现各类整形方案的实际效果，量化分析均匀性、能量利用率、衍射效率等核心指标，与实验结果的吻合度达99%以上；在优化迭代阶段，内置迭代傅里叶变换、GS算法、遗传算法等多种优化工具，可根据设计目标自动迭代调整参数，快速突破局部最优解，将设计误差降低至1%以内；在工程落地阶段，可生成直观的光路图、光强分布热图、相位分布图等可视化成果，方便方案汇报与团队协作，同时支持导出CAD加工文件与公差分析报告，实现从设计到生产的无缝衔接，有效缩短研发周期、降低研发成本。

无论是静态整形系统的参数优化，还是动态LC-SLM的性能验证，Zemax的一体化优势均可适配，无需额外搭配其他设计或仿真工具，帮助企业快速攻克光束整形中的设计难点，加速技术成果的工程化转化，适配激光加工、光纤通信、医疗设备、激光雷达等多行业的应用需求。

参考文献

[1] 祝战科, 袁英敏, 柯熙政. 光束整形技术及其应用的研究进展[J]. 应用光学, 2025, 46(4): 776-785. DOI: 10.5768/JAO202546.0401009

[2] Zhang Z Y, Chen M, Wang C L, et al. Research on shaping characteristics of Gaussian beam aspheric shaping system[J]. Opto-Electron Eng, 2022, 49(4): 210367. DOI: 10.12086/oee.2022.210367

[3] 杨向通,范薇.利用双折射透镜组实现激光束空间整形[J].光学学报,2006,26(11):1698-1704

[4] 庞辉, 应朝福, 范长江, 等. 用于光束整形的衍射光学元件设计的混合算法[J]. 光子学报, 2010, 39（6）: 977-981.

[5] LI Pangyue, ZHOU Shun, CHENG Jin, et al. Design of integrated lens array beam shaping system[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60（15）: 281-288.

来源：摩尔芯创

Lumerical案例 | 基于热感知的WDM收发器光子电路仿真——Icepak集成

在这个例子中，Ansys Lumerical INTERCONNECT的光子集成电路(PIC)建模能力与Icepak强大的热仿真能力相结合，用于仿真和设计波分复用(WDM)收发器，同时考虑封装中其他区域（例如电子集成电路(EIC)、印刷电路板(PCB) 等）的发热。一、概述本文以一个六通道WDM系统为例进行研究。该系统采用共封装光学器件（CPO）设计，包含光电器件。由于电子集成电路（EIC）和印刷电路板（PCB）产生的热量，紧凑型CPO内部的温度变化会影响硅光子元件的性能。本文旨在：1）通过热仿真了解CPO内部的温度分布；2）找到电路板上WDM元件的理想位置，以减轻电子元件发热带来的不利影响。首先，使用Icepak对整个封装进行热仿真。然后可以生成光子（硅）层的温度分布图，并将其导出以用于光子电路仿真。接下来，将温度分布图导入INTERCONNECT软件。INTERCONNECT软件针对晶圆上不同的光学元件位置运行多次仿真。基于扫描结果，分析眼图和误码率（BER）等性能指标，以确定晶圆上光学元件的理想布局。步骤 1：Icepak中进行热仿真Icepak在运行时计算封装温度，并导出硅晶片网格坐标和相应的温度。上图展示了用于热分析的PCB板设计示例。绿色层为硅片，棕色层为PCB板。PCB板与硅片之间采用球栅阵列（BGA）连接。透明框内为位于PCB板顶部的集成电路（EIC），EIC用作热源以启动PCB板的热分析。在本例中，我们将EIC视为均匀热源，用户也可以加载EIC的功率分布图以进行更复杂的热分析。本次热仿真中，EIC加热数据来自芯片热模型（CTM），焦耳加热数据则来自SIwave。晶圆底部温度设定为50℃，顶部采用自然对流换热系数（HTC）。注意：要导出温度图，用户需要使用Icepak的“Write Thermal Loads”ACT扩展。步骤 2：在INTERCONNECT中进行Circuit仿真在INTERCONNECT中，WDM传输链路被用作测试平台。INTERCONNECT导入上一步生成的温度分布图，并使用脚本在晶圆上分配WDM系统。WDM电路中光器件的温度根据晶圆的温度分布图进行设置。仿真中使用的紧凑模型（由CML Compiler生成）对温度敏感，并会根据更新后的温度调整模型的性能。然后，INTERCONNECT运行电路仿真并获得性能指标结果（误码率和眼图）。通过比较不同位置（以及相应的不同温度）的结果，我们可以确定PIC元件的理想位置。二、运行和结果步骤 1：Icepak中进行热仿真在Icepak中打开并运行文件 Thermal_simulation.aedtz。如果ACT扩展被隐藏，请使用“Show/Hide ACT Extension”按钮显示它们。导航至“Write Thermal Loads”扩展程序，并设置“Destination Folder”以保存温度图文件。点击扩展程序中的“Finish”，.txt格式的温度图将保存到指定的目标文件夹。下图显示了整个电路板的温度。温度分布图文件保存了电路板的网格（x、y和z坐标）及其对应的温度。步骤 2：在INTERCONNECT中进行Circuit仿真Wafer上optical board默认分配情况下的电路性能：打开文件WDM_6_channel.icp。这是一个包含六通道WDM电路的测试平台。其构建组件来自Demo_CML紧凑模型库(CML)。将Demo_CML.cml安装到元素库中的Design Kits文件夹，然后刷新（File/Refresh）该文件。在脚本编辑器中打开并运行temp_set_up.lsf脚本。该脚本将调用load_temp_map.lsf脚本，并根据整个晶圆上optical board x轴和y轴偏移量，设置电路中各元件的温度。运行INTERCONNECT仿真，绘制6个通道的眼图，并在眼图分析仪中记录BER值。temp_set_up.lsf脚本会生成指定z轴位置的晶圆温度图。由于光学元件的高度相对于整个电路板而言较矮，我们假设光学元件在z轴方向上的温度分布均匀，并脚本中固定一个z值来生成温度图。图中深蓝色方框表示光学电路板，以便我们了解光学电路板在晶圆上的位置以及其在该位置的工作温度。默认设置下，optical board位于晶圆上0mm处，该位置的工作温度约为60摄氏度。考虑到其他布线限制和温度因素（ring models的调谐功耗极小），这是optical board的理想放置位置之一。以下是通道1的眼图和误码率(BER)：改变optical board在wafer上的位置后Circuit性能的变化（对比结果）：打开文件WDM_6_channel.icp。返回设计模式，在temp_set_up.lsf中，更新为-0.5mm(-0.5e-3m)。运行INTERCONNECT仿真，绘制6个通道的眼图，并在眼图分析仪中记录BER值。回到设计模式，打开并运行set_tunning_voltages.lsf脚本，为当前温度下的环形调制器和谐振器设置理想调谐电压。重复步骤2并记录结果。Circuit中的环形调制器和谐振器均设计有热调谐功能。set_tuning_voltages.lsf脚本会根据环形调制器和谐振器的工作温度设置其调谐电压。通过这种热调谐功能，环形调制器和谐振器的性能能够稳定地适应温度变化。将optical board放置在晶圆原点，工作温度约为70摄氏度。以下是通道1在未进行和进行ring models热调谐后的眼图和误码率(BER)：环形调制器和谐振器模型显示了环的调谐电压和功率。重新校准环形调制器和谐振器分别需要约0.022W和0.015W的功率。三、使用您的参数更新模型使用新的CML：该电路的基本构建模块来自Demo_CML，而Demo_CML又基于lumfoundry_template CML。用户可以将这些构建模块替换为其他CML中的模型，从而生成WDM电路。自定义评价指标：在本例中，我们使用误码率(BER)和信道眼图作为评价指标来判断电路性能。我们注意到，通过对环形调制器和谐振器进行热调谐，可以使电路在温度范围内保持相对稳定的工作状态。如果眼图干净且误码率接近于0，我们可以选择其他评价指标，例如误差矢量幅度(EVM)，作为判断电路性能的标准。四、进一步拓展模型集成多种工具进行全电路优化在另一个例子中，我们演示了如何利用optiSlang互操作性对不同的Lumerical求解器进行协同优化：Optimizing Traveling Wave MZM-optiSLang Interoperability。本示例中所示的工作流程可以进行调整，以进行基于optiSlang的全电路优化，并考虑热效应。Optimizing Traveling Wave MZM-optiSLang Interoperability相关链接：https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/4403299362195使用其他test-bench线路本示例使用六通道WDM收发器作为温度效应的性能测试平台。但它也可以适用于其他电路。您可以创建不同的测试平台仿真文件，以便根据需要提取结果。五、其他资源Wavelength division multiplexing相关链接：https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042322774Optimizing Traveling Wave MZM - optiSLang Interoperability相关链接： https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/4403299362195 - END -来源：摩尔芯创