本期分享vcsel激光光束及椭圆-圆形光斑光学设计。

本期的主要内容包含两部分：

1、vcsel激光器光束准直

2、vcsel激光器椭圆光斑转变成圆形光斑

VCSEL激光器的水平方向和竖直方向的发散角存在差异，这种差异导致其出射光斑通常呈现椭圆形。为了实现特定应用场景下对圆形光斑的需求，需要开展针对性的光学设计工作。通过建立精确的VCSEL激光器模型，深入分析其发光特性，进而设计出能够将椭圆光斑转换为圆形光斑的光学系统，以满足如激光雷达、光通信等领域对光斑形状的严格要求。

在vcsel激光器的应用中，首先要对激光光源进行整形光学设计，vcsel激光器的整形设计包含对出射光斑的形状调控以及光束质量的优化。整形光学设计需要综合考虑VCSEL激光器的发散角特性、波长、功率等参数，通过采用合适的透镜组合、反射镜组或者衍射光学元件等，实现对光斑形状的精确控制。例如，可以利用柱面透镜对椭圆光斑在发散角较大的方向上进行压缩，使其在两个垂直方向上的发散角趋于一致，从而得到近似圆形的光斑；或者采用特殊的非球面透镜，通过精确设计其面型，实现对光斑的更高效整形，同时还能改善光束的传输特性，减少光束的发散和像差等问题，提高光束的质量，以满足不同应用场景对激光光斑和光束性能的要求。

本期主要采用非球面对vcsel激光器光束进行准直，形成无限远椭圆光束，采用光楔将椭圆光斑转化为圆形光斑。

以下为具体的设计过程：

1、vcsel激光器光束准直

vcsel激光的光束准直思路与常规激光准直思路相同，初始参数设置如图1所示：

设计物方空间NA为0.14，无焦像空间，建模及视场渐晕参考上期文章进行设置。评价函数设置如图2所示，评价函数主要针对焦距、边界、厚度、光束直径等指标进行约束。这里EFFL、REAY等为实际指标展示，约束需要结合OPGT+OPLT操作数进行。

同时准直优化时需要采用波前进行优化，最终的优化结果如图3所示。

图1 初始参数设置

图2 评价函数设置

图3 vcsel激光准直

2、vcsel激光器椭圆光斑转变成圆形光斑

从1中可知，通过采用非球面透镜将vcsel激光光束准直为椭圆光束，而在很多实际应用领域需要圆形光斑，主要考虑像散对结果的影响，故需要对椭圆光斑进行设计转化，最终输出圆形光斑，这里采用光楔进行优化。

首先对快慢轴的光束直径进行计算和测量，而后采用光楔组对慢轴光束进行放大，放大倍率即为快慢轴光束比例，最终的设计结果如图4所示。

图4 慢轴光束放大

快轴的光束直径保持不变，如图5所示，

图5 快轴光束直径

通过以上设计完成vcsel激光光束准直及椭圆-圆形优化。

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