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    [分享]真实多模激光的建模 [复制链接]

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    离线infotek
    科学家
     
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    只看楼主 正序阅读 楼主  发表于: 2021-09-16
    作者：Daniel Asoubar（LightTrans） :oZ<[#p"*  
    相关文件：Tutorial_101.01，Snippet_028 -`I|=lBz{H  
    需求：VirtualLab™5.11.1-基本工具箱 20V~?xs~  
    许可证：CC-BY-SA 3.0 zuLW'a6F-  
    t|iN Sy3  
    摘要 K>DN6{hnV;  
     d5l42^Z  
    !b+4[ xky  
    1). 这个案例展示了如何在VirtualLab中对一个真实的多模激光源建模，如二极管激光器或受激准分子激光器。 4CF;>b f~  
    2). 因此，首先我们需要对于一个真实的多模激光光源进行远场强度测量。 _=~u\$  
    3). 基于远场强度的测量，通过参数优化（Parameter Optimization）来计算光源的最优模式的混合。     T&_&l;syA  
    ^[7Mp  
    1. 建模任务 btuG%D{a^  
     >Bb X:  
    如何描述一个真实的多模激光以实际的方式发出光线？ &#2&V>pE  
    eL SzGbKf  
    J _O5^=BP  
    2. 方法 W^[FWFUTY  
     3:x(2 A  
    1) 大多数有稳定激光腔的多模激光可以由不同拉盖尔（Laguerre）或厄米（Hermite）高斯模式以非相干加权求和的方式来描述。这意味着在数学上多模激光的发射场可以用下式表示： Z6zV 9hn  
    J =^IS\m  
     Q]K` p(  
    O6hzOyNX@  
    L(TM& ps\-  
    上述数学式中 为拉盖尔（Laguerre）或厄米（Hermite）高斯模式的（n，m）阶, αnm为权重因子。这里n=0，1…，nmax以及m=0，1，…mmax。 i\6CE|  
    _p*9LsN$L  
    VirtualLab™的参数优化（Parameter Optimization）可以从实际测量的光强分布计算模式权重αnm。 @PvO;]]%  
     :/T\E\Qr  
    zL yI|%KH  
    vN{@c(=g  
    3. 在VirtualLab中的过程操作 ~</FF'Xz  
    ",b:rgpRp  
    在这一部分中，我们借助建模任务一章中所描述实例进行说明。 "ioO_  
    0)WAQt\/  
    1) 评估最大模式阶数 P4[kW}R  
    <c}@lj-j  
    对于厄米（Hermite）高斯TEM𝑛m模式，最大阶数nmax，mmax可以近似由实际测量的远场强度分布中延x方向和y方向的极大值的数量决定： ({!!b"B2  
    XR+ SjCA  
    FW|& iS$  
    nmax=x方向上光强极大值的数量-1 P1mg;!tq  
    mmax=y方向上光强极大值的数量-1 % Ln`c.C  
    {U=J>#@G  
    此例中：由下图光强分布计算出的nmax为3，mmax为0。 %l7[eZ{Y  
     DC8#b`j  
    0#]fEi  
    cT'Bp)a  
    (GmBv  
    2）设置多模高斯光源 \(Sly&gL  
    C^ )Imr  
     8S1@,O,  
    x4^nT=?6_  
    6|jZv~rS$  
    3) 设置优化函数 .#yg=t1C  
    {zb'Z Yz  
    在设定优化函数时需要用到一个特殊的探测器：谐波场集的衍射光学优化函数探测器（Diffractive Optics Merit Function for Harmonic Fields set Detector）（Snippet 028）。这是一个可编程探测器(Programmable Detector)。 _RIU,uJs  
    XKjrS 9:  
    a.选择优化函数：双击此可编程探测器进入其编辑窗口。在此案例中，我们选择转换效率（Conversion efficiency）和信噪比(SNR)作为优化参数。因此在如图两项参数后输入1。 -8n1y[  
      _<S!tW  
    dOeM0_o  
    rt+4-WuK>  
    b. 导入实际测量的远场光强分布 yzS^8,  
    z&%i"IY  
    c[Fc3  
    4) 进行参数优化（Parametric Optimization） <[db)r~c  
    O*:87:I d  
    VirtualLabTM的参数优化（Parametric Optimization）可以用来计算模式权重。 X"{%,]sb G  
    H a!,9{T  
    a. 打开参数优化 (]#^q8)]\9  
    _w\9 \<%  
    9lYKG ^#D  
    图1
    b. 选择优化变量，即四个模式 k)b{ UFRW  
    kk=n&M  
    图2
    DN2 ]Y'  
    c. 目标值（转换效率和信噪比）（conversion efficiency和SNR）应该用以下方式指定： ] U>MYdGWb  
    xvTtA61Vp  
    -转换效率（conversion efficiency）=100%（目标值） Zy(i_B-b  
    -信噪比（SNR）<测量信噪比（SNRMeasurement）（下限）。在这里测量信噪比（SNRMeasurement）是测量数据的信噪比。通常这个值受远场强度的测量精度影响。 egq,)6>  
     9<Pg2#*N0  
    &nmBsl3Q.  
    图3
    $nE{%?n-#  
    d. 使用下坡纯形法(Downhill Simplex)进行参数优化 Xw4Eti._D  
    2w.FC  
    图4
    u n v:sV#b  
    e. 运行后，得到目标方程值(Target Function Value) 收敛后的优化结果 R (f:UC  
    }QI \K  
    图5 8:TX9`,  
    f. 通过显示光路图>显示优化结果（Show LPD>Show Optimized Results），优化的模式权重被写入到多模高斯光源中。单击运行(Run)，得到优化好的结果： bg zd($)u  
    | 1B0  
    图6
    -N' (2'  
    4.总结 KTm^}')C8  
    b-& rMML  
    VirtualLabTM允许模拟真实的多模高斯激光源。 ]KFh 1  
    o-8{C0>:  
    从一个真实光源测量的远场强度分布，可以计算其模式权重：通过一个参数优化（Parametric Optimization）结合衍射光学优化函数探测器（Diffractive Optics Merit Function Detector）（Snippet 028）来实现。 2|,$#V=  
    lD0p=`.  
    QQ：2987619807     HkD. W6A3  
     
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