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    [技术]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: 2023-05-22
    @*"H{xo.U  
    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。 g$9EI\a  
    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。 !6pE0(V^+4  
    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。     xk@fBa }  
     mm9xO%  
    1. 建模任务 U "kD)\  
     "C'T>^qw*  
    如何描述一个真实的多模激光以实际的方式发出光线？ jQ&82X%m  
    +A%"_7L}  
    3}gf %U]L  
    2. 方法 o~tL;(sz  
     wgFAPZr  
    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： T[+~-D @  
    AroYDR,3+  
     Q@5v> `  
    hjx= ?  
    rUWC=?Q  
    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。 wLOS , =  
    zelM}/d  
    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。 $Fik]TbQp  
      LAO2Py#  
    87q~ nk  
    .j^=]3  
    3. 在VirtualLab中的过程操作 J8#3?Lp  
    l$DQkbOj  
    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。 A`ScAzx5{  
    LypBS]r u  
    1) 评估最大模式阶数 t# <(Q  
    H#FH '@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： %hV]vm  
    $0P7^4)w:  
    3iBUIv  
    nmax=x方向上光强极大值的数量-1 Tv /?-`Y  
    mmax=y方向上光强极大值的数量-1 vCsJnKqK  
    =}m'qy  
    此例中：由下图光强分布计算出的nmax为3，mmax为0。 Pe)SugCs  
     z-G*:DfgH  
    2 3*OuY  
    }E&48$0h  
    :3.!?mOe2  
    2）设置多模高斯光源 &9Xn:<"`)  
    /MV2#P@  
     84f^==Y  
    j+NsNIJq  
    Uo=_=.GQ  
    3) 设置优化函数 yL"UBe}v  
    UB3hC`N\  
    在设定优化函数时需要用到一个特殊的探测器：谐波场集的衍射光学优化函数探测器（Diffractive Optics Merit Function for Harmonic Fields set Detector）（Snippet 028）。这是一个可编程探测器(Programmable Detector)。 4v;KtD;M  
    )kvrQ6  
    a.选择优化函数：双击此可编程探测器进入其编辑窗口。在此案例中，我们选择转换效率（Conversion efficiency）和信噪比(SNR)作为优化参数。因此在如图两项参数后输入1。 , ^@z;xF  
     ZfnJ&H'  
    DQ9}( '^  
    8<PQ31  
    b. 导入实际测量的远场光强分布 ^17i98w  
    K-4o_:F  
    -$ha@ bCWO  
    4) 进行参数优化（Parametric Optimization） W #V`|JA  
    rHJtNN8$k  
    VirtualLabTM的参数优化（Parametric Optimization）可以用来计算模式权重。 Yk=2ld;;  
    v{oHC4  
    a. 打开参数优化 '.IR|~Y  
    sPRo=LB  
    gIY]hC.  
    图1
    b. 选择优化变量，即四个模式 v?s%qb=T  
    ".sRi  
    图2
    Aga{EKd  
    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： 2!? =I'uMA  
    BoP,MpF  
    -转换效率（conversion efficiency）=100%（目标值） l09SWug  
    -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。 /dwj:g0y  
     A@)ou0[n@  
    "GB493=v  
    图3
    Tzr'3m_  
    d. 使用下坡纯形法(Downhill Simplex)进行参数优化 %nhE588xf  
    ^ wb9n  
    图4
    %s ">:  
    e. 运行后，得到目标方程值(Target Function Value) 收敛后的优化结果 ][B>`gC-  
    WP >VQZ&  
    图5 %H3 M0J2L  
    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： QSyPtjg]  
    . H9a  
    图6
    lK3{~ \J-  
    4.总结 ASUleOI79(  
    +Sak_*fq  
    VirtualLabTM允许模拟真实的多模高斯激光源。 zR5KC!xc  
    La r9}nx0  
    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。 fr<V])  
     B~2M/&rM\  
     
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