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 R;!,(l
7+P;s,mi7
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。 Rge>20uTl$
UH MJ(.Wa-
第21章 物理光学传输 (\F9_y,6*\
Introduction介绍 #Nh'1@@
(F&LN!Hn>p
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。 bA)nWWSg=
m#'eDO:
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。 J9[7AiEd(/
%&6QUv^
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。 GTR*3,rw
(p5q MP]L
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: @/s|<*
j,i9,oF6]
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)。 $E@n;0P
z6R|1L 1
2. 当考虑远离焦点的衍射效应时(光线[模型]仍然保持振幅和相位的均匀,波前[模型]却形成了振幅和相位结构)。 u
]"fwkL
;}E}N:A
3. 当传播距离很长,并且光束是几乎准直的时(准直光线经过任意距离仍然保持准直,然而实际光束却要衍射并发散)。 (X "J)xaQ
V*@aE
物理光学使用传输波前来模拟光学系统。光束是通过离散的采样点矩阵来描述的,类似于几何光学分析使用的离散采样光线。整个[采样点]矩阵通过光学表面之间的自由空间传播。在光学表面之间,通过计算传输函数,来得到从一个光学面到其它光学面的传输光束。对于任意相干光束,物理光学模型允许非常详细的研究,这包括: RB %+|@c
F%6wdM W
1. 任意形式的高斯[光束]及高阶多模激光束(用户自定义光束) 4 eLZ
6Hnez @d
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) ye.6tlW
@*y4uI6&
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 |#_p0yPy
BaQyn 6B
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 dcY(1p)
Z+v,o1
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 4H6Fq*W{k
cTq@"v di
通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: 0I.KHIBk
A1prYD
1. 物理光学通常比几何光学要慢; MSmr7%g3D
o4" [{LyT
2. 因为整个光束矩阵必须一次性存储在内存中,所以对于大的采样矩阵,需要相当大的RAM; 1O`V_d)
><}nZ7
3. 采样限制了能够精确模拟的光束像差量级。对于大像差系统,应该使用几何光学[模型]。 J!l/.:`6
qHub+"2
下面几节将概述物理光学传输算法和Zemax使用这一特性所需的适当信息。 ;y,g%uqE
q? ">
Support for multiple processors多进程支持 44u)F@)
+KbkdYZ
在Zemax中,物理光学传输一般被设计为在多CPU计算机下工作。拥有双CPU或多CPU的计算机将比单CPU计算机或得更快的执行效率。 qj;i03 +@
WJD2(el
Diffraction propagation衍射传播 YIRe__7-NU
T#qf&Q Z
关于衍射传播的理论和方法在可以在书本中找到详细资料。Zemax中使用的方法是基于如下参考书: He=C\"
K? o p3}f?
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). ee?
d?:L
6-|?ya
2. Lawrence, George N. "Optical Modeling", in Applied Optics and Optical Engineering, Volume 11, R. R. Shannon and J. C. Wyant, eds., Academic, New York (1992). 1gV?}'jq
HXU#Ux
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 0;l~B
NVx>^5QV
译者注:以下部分均为Gaussian光束表征和传播的理论基础,由于比较复杂,且译者觉得用户即使不懂这部分内容,也可以根据后面的其他内容使用Zemax的POP功能,所以,在此仅将标题列出,内容部分如需翻译,以后再补。 R0qZxoo
?xqS#^Z
电场的表征 `o{ Z;-OF
\ UrD%;sq
Fresnel数 X|a{Z*y;r*
GKFRZWXdT
近场和远场 P*!`AWn
7<)H?;~;
角谱法传输 i?!9%U!z4
r<ww%2HTS
Fresnel衍射法[传输] >
'=QBW
cjL)M=pIS
选择正确的传输因子 HX2u{2$
{Phq39g
Frauhofer衍射法 LG:k}z/T
`/[5/%
引导光束 RyK~"CWT
!Wr<T!T
相位数据的符号惯例 ]_(hUj._
Md~SzrU
Rayleigh范围内外的传播 LVg#E*J
k( Sda>-
传播中的X,Y分离 QwX81*nx
D`@a*YIq
采样间隔与采样点的备注 d'W2I*Zc<
_5rKuL
通过任意光学表面的传播 !-`L1D_hy
&j:e<{@
通过非序列表面的传播 MZ}0.KmaZ
zd5=W"Y;]
考虑偏振【的传播】 2FuV%\p
i!2k f
内存需求 }@HgF M"
\H .Cmm^I
Defining the initial beam定义初始光束 dI\_I]
kqKT>xo4EZ
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。 "BT M,CB
/V*SI!C<f
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。 ta{24{?M\
"a2|WKpD
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。 ;<0vvP|
<5G(Y#s/?
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。 ;+\h$
#Gi`s?
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。 !(q@sw(
8$~oiK%fw
Gaussian Waist _p8u
&TZ
,+df=>$W
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: !AXLoq$SY
iYB c4'X
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。 0JtM|Mg
h
F +aL
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: JE}VRMNr
'l(s)Oa{M:
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%。 xwo*kFg
6MM\nIU)/
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。 P@@MQ[u?!.
)!0}<_2
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。 jfK&CA
y ]t19G+
Gaussian Angle eikZ~!@
xY]q[a?cy
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: *=oO3c0|b,
*0" ojfVn
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。 WD\Yx~o
$B?8\>_?
Gaussian Size+Angle %ud-3u52M8
MUbKlX
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: 3!F^vZ.
T(u;<}e@[
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: 0&