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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 倒序阅读 楼主  发表于: 2023-05-22
    h#qN+qt}  
    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(hOg~S\E  
    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。 60}! LmL  
    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。     U|@V 74  
    *>q/WLR  
    1. 建模任务 : c.JhE3D  
     l7}g^\I  
    如何描述一个真实的多模激光以实际的方式发出光线？ <l,o&p,>|c  
    %.HJK  
    Q2|p \rO  
    2. 方法 /rc%O*R  
     r8/l P}(F  
    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： ?KE$r~dn  
    V@vU"  
     x/fX`y|(}*  
    ZKpvDH'  
    X/0v'N  
    上述数学式中 为拉盖尔（Laguerre）或厄米（Hermite）高斯模式的（n，m）阶, αnm为权重因子。这里n=0，1…，nmax以及m=0，1，…mmax。 |L6&Gf]#5  
    I f-_?wZe  
    VirtualLab™的参数优化（Parameter Optimization）可以从实际测量的光强分布计算模式权重αnm。 e}yX_Z'P<  
     c64v,Hj9  
    O(Jj|Z  
    EbY,N:LK  
    3. 在VirtualLab中的过程操作 Ms^dRe)  
    O9M{  ).  
    在这一部分中，我们借助建模任务一章中所描述实例进行说明。 5F"|E-;  
    W"q@Qa`Bm  
    1) 评估最大模式阶数 G$M9=@Ug  
    Nw_@A8-r  
    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~m2tC=AW  
    J([s5:.[  
    eU@Cr7@,|  
    nmax=x方向上光强极大值的数量-1 23\RJpKb  
    mmax=y方向上光强极大值的数量-1 nIk$7rGLB  
    g" VMeW^  
    此例中：由下图光强分布计算出的nmax为3，mmax为0。 R`8@@ }  
     H}}$V7]^),  
    d3Mva,bw<  
    XOP"Px@  
    ;,h/   
    2）设置多模高斯光源 r,1e 'd:  
    7, } $u  
     13k !'P  
    |SZo' 6  
    bm~W EX  
    3) 设置优化函数 M~e0lg8  
    "r4AY  
    在设定优化函数时需要用到一个特殊的探测器：谐波场集的衍射光学优化函数探测器（Diffractive Optics Merit Function for Harmonic Fields set Detector）（Snippet 028）。这是一个可编程探测器(Programmable Detector)。 jKIxdY:U  
    &)d$t'7p  
    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。 2F{hg%  
     $ ,Ck70_  
    4*n#yVb/  
    S[3iA~)Z-  
    b. 导入实际测量的远场光强分布 )-15 N  
    %]gTm7 =t  
    3g'S\ G@  
    4) 进行参数优化（Parametric Optimization） (& "su3z  
    Q#I"_G&{  
    VirtualLabTM的参数优化（Parametric Optimization）可以用来计算模式权重。 IY'=DePd  
    3rW|kkn  
    a. 打开参数优化 $``1PJoi  
    ?Ea;J0V  
    }_/Hdmmx  
    图1
    b. 选择优化变量，即四个模式 3981ie  
    ^ |~ml Y@w  
    图2
    AN:sQX`  
    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： OVzt\V*+%W  
    $4kH3+WJ  
    -转换效率（conversion efficiency）=100%（目标值） +Mewo  
    -信噪比（SNR）<测量信噪比（SNRMeasurement）（下限）。在这里测量信噪比（SNRMeasurement）是测量数据的信噪比。通常这个值受远场强度的测量精度影响。 -H^oXeN  
     Bs+(L [Z  
    Y`7~Am/r;&  
    图3
    /-_=nf}w  
    d. 使用下坡纯形法(Downhill Simplex)进行参数优化 :K`ESq!8u  
    _/8FRkx  
    图4
    K5ZC:Ks  
    e. 运行后，得到目标方程值(Target Function Value) 收敛后的优化结果 `pf4X/Py  
    z?/1Kj}xG  
    图5 _R'Fco  
    f. 通过显示光路图>显示优化结果（Show LPD>Show Optimized Results），优化的模式权重被写入到多模高斯光源中。单击运行(Run)，得到优化好的结果： 3`d}~v{  
    s^0/"j|7  
    图6
    ]xC#rwHUC  
    4.总结 oVA?J%EK  
    <~}7Mxn%x@  
    VirtualLabTM允许模拟真实的多模高斯激光源。 Q$& sTM  
    E#J';tUQ  
    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。 MObt,[^W  
     rk+#GO{  
     
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