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    [分享]真实多模激光的建模 [复制链接]

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    科学家
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2021-09-16
    作者：Daniel Asoubar（LightTrans） Eti;(>"@  
    相关文件：Tutorial_101.01，Snippet_028 Q9X_aB0  
    需求：VirtualLab™5.11.1-基本工具箱 E@R7b(:*  
    许可证：CC-BY-SA 3.0  {k}S!T  
    +K;(H']Z<-  
    摘要 I 8`@Srw8  
     Fc7mAV=  
    !iCY!:  
    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。 qWtvo';3  
    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。 4&r^mGs,  
    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。     [st4FaQ36  
    U9IN#;W  
    1. 建模任务 Wze\z  
     >Rjk d>K3  
    如何描述一个真实的多模激光以实际的方式发出光线？ -O\!IXG^  
    lz faW-nu  
    X|7gj &1  
    2. 方法 d"Hh9O}6  
     Cz+>S3v M  
    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： B:a&)L wp0  
    PE|_V  
     \$V~kgQ0  
    ,S2D/Y^>  
    8{@|M l  
    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。 /'u-Fr(Q+  
    eFp4MD8?  
    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。 X&TTw/J!^  
     :o&qJ%  
    h:<p EL  
    ckBcwIXlP&  
    3. 在VirtualLab中的过程操作 vR3'B3y  
    !TVlsm  
    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。 +S5"4<  
    V"#ie Y n  
    1) 评估最大模式阶数 4W*52*'F,  
    w{UVo1r:  
    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： x}i:nLhL  
    p./zW )7+  
    - {>JF  
    nmax=x方向上光强极大值的数量-1 B5~S&HQ?B6  
    mmax=y方向上光强极大值的数量-1 B4r4PSB>!  
    Qn ME|j\  
    此例中：由下图光强分布计算出的nmax为3，mmax为0。 Z[R E|l{  
     [, 3o  
    (2[tQ`~  
    "H" 4(3  
    %]h5\%@w  
    2）设置多模高斯光源 >_jT.d  
    Q.>@w<[!L  
     Waj6.PCFm  
    3E$M{l  
    xqs{d&W  
    3) 设置优化函数 }Ry:})  
    :$~)i?ge<5  
    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)。 :Gsh  
    GF*8(2h2  
    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。 |,c QJ  
     PxNp'PZr9  
    F"1)y>2k  
    ] +<[D2f  
    b. 导入实际测量的远场光强分布 ?'Y\5n/*$  
    >\ y|}|?  
    l E=(6Q  
    4) 进行参数优化（Parametric Optimization） oDogM`T`  
    HQw98/-_W  
    VirtualLabTM的参数优化（Parametric Optimization）可以用来计算模式权重。 ~1]4 J(+  
    'G;y!<a  
    a. 打开参数优化 jNhiY  
    %4|*  
     $A]2Iw!&  
    图1
    b. 选择优化变量，即四个模式 @E %:ALJ  
    4$#nciAe  
    图2
    S.pL^Ru  
    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： n!z7N3Ak>  
    SR)G!9z_/  
    -转换效率（conversion efficiency）=100%（目标值） p2 V8{k  
    -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。 @iwVU]j  
     <E/4/ ANN  
    |ZZl3l=]  
    图3
    xl8=y  
    d. 使用下坡纯形法(Downhill Simplex)进行参数优化 e&sZ]{uD  
    E}LuWFZ&  
    图4
    3tzb@T  
    e. 运行后，得到目标方程值(Target Function Value) 收敛后的优化结果 }Q&zYC]d  
    44C"Pl E u  
    图5 GOrDDp  
    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： `Sgj!/! F  
    v|fA)W w  
    图6
    go >*n\  
    4.总结 +a1Or  
    6a6;]lsG  
    VirtualLabTM允许模拟真实的多模高斯激光源。 g@0<`g  
    XrP'FLY o  
    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。 h,%`*Qg6  
    Sggha~E2s  
    QQ：2987619807     t|-TG\Q X  
     
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