说明1:本人曾经做过半年时间的大功率光纤激光准直工作。理论资料参考《Opotial System Design(Fisher)》和《工程光学设计(萧泽新_第二版)》;模拟软件使用Zemax。有鉴于当时关于这方面的中文资料难找(因为手头上的Zemax中文手册只有网上广为流传的2003版,但它没有翻译POP这一章;后来看到光研公司出了全部的中文版,据说要400多元,自己舍不得买,于是只有啃英文原版了),所以现在特将此章译出,以方便广大同行交流。译文仓促,疏误再所难免,恳请大家原谅。Zhl10501于HangZhou.2009.09.11 7FMg6z8~
[-cYFdt"V
说明2:本翻译版中的章节和页码数,均以英文原版ZemaxManual(2008)为标准。 sgDlT=c'
?d1H]f<M
第21章 物理光学传输 pHlw&8(f"
Introduction介绍 KaC+x-%K
c+/SvRx^>
强调à本特性仅在Zemax_EE版中可以使用。物理光学传输较为复杂,我们强烈推荐用户在使用之前阅读并理解本章内容。 (!Q^.C_m
u>j:8lhtV
几何光学通过光线追迹来模拟光学系统。光线是一种假象的线条,它代表着由等相面构成的波前[曲面]的法线。无论是光线,还是波前,均可以表征一个光束。然而,光线和波前的传播[方式]确是不同的。光线沿直线传播,每条光线之间互不干涉;但是波前却是自相干传播。因此,光线模型和波前模型在描述光束通过自由空间或光学元件时,其传播方式不同。光线模型在描述绝大多数光学系统时都是极其有效的,并具有快速,柔韧的特点。然而,光线[模型]却不适合模拟一些特定的重要效应,例如衍射。 !o2lB^e8
Pew-6u"
Zemax确实有一些基于光线[模型]的衍射计算,例如衍射MTF或PSF。这些衍射计算做了一个简单的近似:[假定]所有的重要衍射效应只发生在从出瞳到像[的区间]。这有时被成为“单步”近似。在从物体出发,穿过各个光学元件和空间介质,并以各种方式到达像空间出瞳处的过程中,[我们]使用光线[模型]传播光束。对于分布在出瞳处的透射光线,计算出相应的振幅和相位差,用以还原出复振幅波前。在单步近似中,随后使用衍射积分来计算传播到焦点附近区域的复振幅波前。 d-g&TSGd
T~UKWAKX}
几何光学和单步近似法对于大多数传统光学设计相当适用。其中,光束除了最终像外,均不在焦点附近。然而,这一模型在以下若干重要场合遭到破坏: BlQu9{=n
=&~*r
1. 当光线到达介质焦点处,特别是截迹光束时(光线模型自身不能正确的预测焦点附近的光线分布)。 ~/J:p5?L
4,kT4_&,
2. 当考虑远离焦点的衍射效应时(光线[模型]仍然保持振幅和相位的均匀,波前[模型]却形成了振幅和相位结构)。 k#TonT
r5z_{g
3. 当传播距离很长,并且光束是几乎准直的时(准直光线经过任意距离仍然保持准直,然而实际光束却要衍射并发散)。 LuS]D%
le%_[/_I|
物理光学使用传输波前来模拟光学系统。光束是通过离散的采样点矩阵来描述的,类似于几何光学分析使用的离散采样光线。整个[采样点]矩阵通过光学表面之间的自由空间传播。在光学表面之间,通过计算传输函数,来得到从一个光学面到其它光学面的传输光束。对于任意相干光束,物理光学模型允许非常详细的研究,这包括: N=&~3k
-.:[a3c?
1. 任意形式的高斯[光束]及高阶多模激光束(用户自定义光束) O0#wM-M
QfJ?'*
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) [G^ir
m]JZ@
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 R_ojK&%
|HXI4MU"
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 \3(d$_:b
0"$Ui#r`
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 [)|P-x-<
~HD:Y7
通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: K'~wlO@O
A/Kw"l>
1. 物理光学通常比几何光学要慢; w+bQpIPM
3!^5a%u
2. 因为整个光束矩阵必须一次性存储在内存中,所以对于大的采样矩阵,需要相当大的RAM; HONrt|c
I~EQuQ >=
3. 采样限制了能够精确模拟的光束像差量级。对于大像差系统,应该使用几何光学[模型]。 LbDhPG`u
#L.fGTb
下面几节将概述物理光学传输算法和Zemax使用这一特性所需的适当信息。 f_X]2in
Esw#D90q
Support for multiple processors多进程支持 #r;
'AG
Fxy-_%a
在Zemax中,物理光学传输一般被设计为在多CPU计算机下工作。拥有双CPU或多CPU的计算机将比单CPU计算机或得更快的执行效率。 Bo8+uRF|
A.m#wY8
Diffraction propagation衍射传播 vRYQ4B4o
#P$=P2o
关于衍射传播的理论和方法在可以在书本中找到详细资料。Zemax中使用的方法是基于如下参考书: Wq8Uq}~_g
TjGe8L:
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). .asHFT7]9
GQoaBO.
2. Lawrence, George N. "Optical Modeling", in Applied Optics and Optical Engineering, Volume 11, R. R. Shannon and J. C. Wyant, eds., Academic, New York (1992). 9:CJl6~N)#
=YkJS%)M)
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 "0Uh(9Fv
GEXT8f(7
译者注:以下部分均为Gaussian光束表征和传播的理论基础,由于比较复杂,且译者觉得用户即使不懂这部分内容,也可以根据后面的其他内容使用Zemax的POP功能,所以,在此仅将标题列出,内容部分如需翻译,以后再补。 ET1/oG<@
HJ]\VP9Zb
电场的表征 mV0F^5
lq=|=
Fresnel数 M0DdrL/
L
|&WeXVH E
近场和远场 0l !%}E
gbM#jhQ
角谱法传输 u&1n~t`
&}31q`
Fresnel衍射法[传输] q[1:h
nk9Kq\2f:
选择正确的传输因子 S#dkJu]]#
g
nJe!E
Frauhofer衍射法 !1K<iz_8
T;X8T
引导光束 ]0.? 1s e
gP1~N^hke]
相位数据的符号惯例 {X<mr~
r 11:T3
Rayleigh范围内外的传播 B5pMcw
7
N+;K0
传播中的X,Y分离 |3W\^4>,
\9dSI
采样间隔与采样点的备注 |5S/h{gq
^%wj6
通过任意光学表面的传播 J
Sz'oA5
9B")/Hz_
通过非序列表面的传播 >lQ&^9EI%
LivPk`[
考虑偏振【的传播】 saQA:W;
tmiRv.Mhn<
内存需求 $>1 'pV
p*)RP2
Defining the initial beam定义初始光束 ]YYjXg}%
)[Bwr
bn
菜单中AnalysisàPhysical OpticsàPhysical Optics Propagation选项,调用物理光学传播特性。该特性的设置对话框允许用户选择各种选项,包括:定义初始光束,采样,表面范围和场的位置。具体设置见P215中可获得的选项与设置讨论。 rXXIpQRi$S
aG;6^$H~
X和Y采样确定了光束的采样点数。越大的值意味着更高的精度,但也需要花费更长的计算时间和更大的内存需求。 epp ;~(xr
Vd^_4uqnV
X和Y宽度是以透镜单位测量的。宽度越大,光束中的非零强度空区间越多。这种区间叫做保护带。光束周围足够的空区间的存在是非常重要的。这种空区间给作为像差的光束扩展提供了空间。如果光束的某些部分变的非常接近光束矩阵的边缘,它们将变成“噪声”返回到光束中,这会降低计算结果的精度。 qW[p .jN
w#g0nV"X6
初始光束可能是以下一些类型:Gaussian Waist, Gaussian Angle, Gaussian Size+Angle, Top Hat, File, DLL, 或者 Multimode。下面的几节将详细讨论每一种光束类型。 &x19]?D"+
B4 5B`Ay
在任意表面之前的光学空间,光束可能会对任一定义的视场,沿主光线瞄准。光束的起始位置也可以通过“Surf To Beam”项对起始面偏置。关于光束束腰,Rayleigh范围,发散角的设定均可在P214的“Propagating the embedded beam”中找到。 WV_y@H_
d)`XG cx{=
Gaussian Waist mcAg,~"HB
:L<$O7
高斯束腰型光束可以被截迹和偏心。任意阶Hermite-Gaussian光束定义如下: @sv==|h
hM\<1D
CKG
其中,Hi(u)是Hermite多项式函数,阶数为i,且可以沿X和Y方向分别用整数l和m独立描述。如果l和m均为零,将产生简单的TEM(0,0)“高斯”型光束。高阶模式可以通过修改阶数来描述。例如,设置l=1,m=2,将产生TEM(1,2)模式。Hermite-Gaussian光束的讨论见Saleh, B. E. A., and Teich, M. C., Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons, New York (1991).如果阶数高于30,Zemax将会自动设回为零,以阻止过长的计算时间。 dP[l$/
JViglO1\
dx和dy值用来偏心光束。透射函数T(x,y)可以用来截迹光束为有限孔径。透射函数定义如下: &WAO.*:y
E;\XZ<E
Ax和Ay是截迹孔径值。如果Ax和Ay为零,将不使用截迹孔径。平滑函数用来在截迹孔径边缘降低相关像素误差。平滑函数根据像素落在截迹孔径内的面积来给像素设置权重。截迹孔径在模拟接收光纤的模式时很有用,通常的截迹孔径比纤芯尺寸大约15%。 B
MU@J
0mo^I==J1
设置框中的E0值用来产生单位面积上的峰值辐照度或光束总功率。 k .? aq
B~oSKM%8R
束腰处定义的光束,在传播远离束腰后,其光束尺寸通常会扩展。见以下讨论的Gaussian Angle and Gaussian Size+Angle。 V0+D{|thh6
hWpn~q
Gaussian Angle ^/\OS@CT\
V_jVVy30Ji
Gaussian Angle模式光束,其束腰尺寸通过空气中测量的远场发散半角(角度单位)来确定,并可以选择对TEM(0,0)模式偏心。Zemax使用指定的发散角来计算束腰,这由下式给出: _l,?Y;OF
-G&>b
D
其中,theta角指发散半角,以角度度量。波长并不是相对于起始介质的【而是相对于空气的】。如果X和Y方向角度不同,将会产生椭圆光束。光束在束腰处定义。 > ^fY`x,
} Zu2GU$6
Gaussian Size+Angle S@]7
-IhFPjQ
Gaussian Size+Angle模式光束,通过空气中测量的光束尺寸(非束腰)和远场发散半角(角度单位)来确定,并可以选择对TEM(0,0)模式偏心。Zemax使用指定的光束尺寸和发散角来计算束腰大小,束腰位置和相位。束腰由下式给出: 6#VG,'e3
.b>1u3
其中,theta角指发散半角,以角度度量。波长并不是相对于起始介质的【而是相对于空气的】。如果计算的结果束腰大于给定的光束尺寸(物理上当然是不肯能的),Zemax将会使用将会使用束腰值代替光束尺寸。光束相对于束腰的z方向位置由下式计算: %J4]T35^2
U*F|Z4{W
其中,zr是Rayleigh范围。如果x和y方向具有不同的[omega]值,将会产生具有环形相位面的椭圆光束。 9frP`4<)
q+2yp&zF
Top Hat HpXMPHd
?z0f5<dL
平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: 2zR*`9$
b3}928!D-@
这里,设置框中的E0值用来产生单位面积上的峰值辐照度或光束总功率。 r*]0PQ{?
@>f]0,"(
File RP'`\||*
cAJKFuX"
光束也可以根据用户自定义的格式数据列表文件来定义。列表数据值必须使用二进制或ASCII格式文件来定义,且要从磁盘中读取。文件必须以扩展名ZBF(Zemax Beam File)结尾。二进制格式与通过Zemax中”Save Output Beam To:”选项保存的文件格式一致。其中Ex和Ey值是用来定义Ex*Ex + Ey*Ey,以瓦特为单位。在光束被读入Zemax中时,如果单位标记指示光束单位不同于当前透镜单位,则会被自动标度到当前透镜单位。 w#[Ul9=?6
Knsb`1"E^6
强调à所有的ZBF文件必须放置到Zemax安装目录下的\POP\BEAMFILES子文件夹。 k+S+: 5
ZxkX\gl91
Zemax中的光束对于所选的视场和波长总是按主光线定中心。所以,光束文件中的数据应该相对于主光线来放置(主光线是用来对准光束的)。光束文件的中心点取坐标(nx/2+1, ny/2+1)。Zemax 中nx和ny取2的整数幂,例如32,64,128,256等。最小采样点是32,当前最大采样点为8192。当读取光束时,光纤耦合数据会被忽略掉;如果光纤耦合在输出中未被计算,就取零值。注意:全光纤耦合系数是接收效率和系统效率的乘积。第一个数据在-x,-y的交角处,然后沿首先沿x行【顺序读取】。Rayleigh距离将被忽略,并由Zemax自动重新计算。ZBF文件中存储的波长值由光束当前所在介质重新标度。 j-|YE?AA
'Ht$LqG
ZEMAX Beam File (ZBF) binary format _.0c~\VA
d{+H|$L`
ZBF二进制文件格式定义如下。所有整数占4个字节,所有双精度占8个字节。 <$Q\vCR
)3v0ex@Jl
1 integer: The format version number, currently 1. @
fm\
H
_ b}\h,Ky
1 integer: The number of x samples (nx). Gxfw!aF~
)k0e}
1 integer: The number of y samples (ny). i.2O~30ST
h-h U=I8
1 integer: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. t$=FcKUV}f
LB%_FT5
1 integer: Units, 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. hk4f)z
Zy@35;r
4 integers: Currently unused, may be any value. 06*R)siC
quk~z};R>\
1 double: The x direction spacing between points. 6~GaFmW=
:Bp{yUgi@
1 double: The y direction spacing between points. lGqwB,K$z4
mtuq
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. !OM9aITv[
AWCzu5ve
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. kH*l83
vgOmcf%;
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. "lLt=s2>L
M x j
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. I=&5m g=m
A@*P4E`xp
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. E>TD`
mH*42XC*
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. ZmO/6_nU?
q]:+0~cz
1 double: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. wE3^6
vq_W zxaG
1 double: The index of refraction in the current medium. N%6jZmKip
!Jb?rSJ.h
1 double: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. ?
Ldw\
6}R^L(^M
1 double: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. 0:Js{$ZL4
,^O**k9F
8 doubles: Currently unused, may be any value. 7;KmJ}$
is{I5IR\/
2*nx*ny double: Ex values. x(3E#7>1
i\2MphS
如果有偏振,在Ex值之后还有2*nx*ny个Ey值。 CZE5RzG
/a17B
ZEMAX Beam File (ZBF) ASCII format NFY,$
s2g}IZfo
ZBF-ASCII文件格式定义如下。第一行必须是一个单独的字母“A“,其后是其它指定的数据值。 yXY8 oE
gqNd@tYI
A: indicates an ASCII file. Z<En3^j`
K"eR6_k
version: The format version number, currently 1. <VB
T2Cdw\
nx: The number of x samples. #^<