SYNOPSYS 光学设计软件课程三十：理解高斯光束
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背景： S=O/W(ZB
激光器通常产生直径非常小的光束，经常用作各种光学系统光源。 这种光束的强度是不均匀的，在理想情况下遵循高斯分布，因此而命名为高斯光束，且在大多数实际情况下以特有的方式偏离该分布。 在设计和分析具有这种分布的系统时，必须考虑两个问题：轮廓的形状以及直径非常小的光束在传播时表现出强烈衍射效应。 od>DSn3T
SYNOPSYS中的高斯光束 )Q 8T`Tly
作为一个适应性强的光学程序，，目标是在尽可能在不那么复杂的情况下获得准确的结果。 因此，该程序以新颖独特的方式分析这种光束的特殊性质。 STgl{#
主要问题是，如果光束直径很小，衍射作用贯穿了整个光束的传输。 另一方面，光线穿过普通透镜，光束直径远大于光的波长，沿着直线进行非常好的近似，然后我们可以处理为光线了。高斯光束很难传播一段距离后还保持光束直径很小。 光线的路径（波前）是弯曲的，在光线追迹中需要特别注意。 mwFI89 J'
考虑以下系统: /'1UfjW>
RLE lo:]r.l X{
ID OBG DEMO OVO0Emv
OBG .15 2 * [*#cMZ
UNI MM p$}iBk0B(z
WA1 .6328 K5(?6hr;
1 TH 50 *IzcW6 [9
2 RD -2.55 TH 2 GTB S p7(x k6W
BK7 ]I" oS?
2 CAO 2 cHK)e2 r
3 CAO 2 )!MeSWGq
3 RD -55 TH 100 @f0~a
4 RD 100 TH 2 PIN 2 z Q
NL){
5 TH 50 UMC ) rD] y2^<
4 CAO 10 ".| 9h
5 CAO 10 pTZPOv#?Q
7 y]=v+ Q*+
AFOC zQ xZR}'
END w5jH#ja
Ze~ a+%Sb
按照高斯光束的规则，物面被声明为“OBG”类型，腰在表面1，半径为0.15毫米。根据OBG线上的第三个词，我们关心的是光线到达的点是1/e* 2的两倍。上图所示的边缘光线来自于光束的那个点。在这个例子中，我们还包括了两个简单的透镜，用来扩束和准直光束。 ?n/:1LN,
如果我们把表面1的波束精确准直，那么表面2上的光束大小等于于表面1的光束大小。但这是不正确的，因为衍射会在光束到达表面的时候放大光束。为了解释这种影响，程序认为腰部的光束稍微弯曲，刚好使从表面1追迹到的真实光线与衍射的高斯光束以相同的角度接触到表面2。从这点出发，我们可以用通常的光线追迹方法来处理衍射光束，前提是此处衍射是由最小孔径引起的。 xc R
寻找一个光束追迹，它根据近轴高斯光束理论对光束的任意位置进行评估。 '6{q;Bxo
SYNOPSYS AI>BEAM e = &
abu
Z~g~,q
ID OBG DEMO 33262 13-MAY-13 14:16:08 5 (>m=ef"
GAUSSIAN BEAM ANALYSIS ]M{SM`Ya
'#t"^E2$
SURF BEAM RADIUS WAIST LOCATION WAIST RADIUS DIVERGENCE ~! ]FF}6
___________________________________________________________________ ))!Z2PfD
1 0.150000 -7.5157030E-15 0.150000 0.001343
,KkENp_
2 0.164341 -7.368983 0.005965 0.022287 {Cs~5jYz
3 0.208892 -6.563589 0.006332 0.031811 po"M$4`9
4 3.389933 -357.899054 0.014036 0.009472 yyk[oH-Q
5 3.408876 -2087.561971 3.406641 5.9127598E-05 .eXIbd<C
6 3.408985 -2137.561971 3.406641 5.9127598E-05 F qsG#6|x
7 3.408985 -2137.561971 3.406641 5.9127598E-05 .x6*9z#q
SYNOPSYS AI> *P:`{ZV7=W
VYf$0oo\4
注意，由于衍射，表面2上的光束半径大于表面1上的光束半径。 现在在光瞳点（0，.5）处追迹真实光线，该点位于1 / e ** 2点。 \W ouTn
SYNOPSYS AI>RAY P 0 0 .5 SURF 3Q[]lFJ}F
6luCi$bL
INDIVIDUAL RAYTRACE ANALYSIS 9{ i6g+
bEbO){Fe
FRACT. OBJECT HEIGHT HBAR 0.000000 GBAR 0.000000 i1vBg}WHN
FRACT. ENTRANCE PUPIL COORD. YEN 0.500000 XEN 0.000000 QfU
0*W?r
COLOR NUMBER 1 5#d" ] 7
S3hJL:3c
RAY VECTORS (X DIR TAN) (Y DIR TAN) (INC. ANG.) 2b1LC!'U
SURF X Y Z ZZ HH UNI %S>lPt
___________________________________________________________________________________ -sO EL{
OBJ 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000549 :@_CQc*yB
1 0.000000 0.136910 0.000000 0.000000 0.000549 0.031434 ]ZO^@sH
2 0.000000 0.164338 -0.005301 0.000000 0.022307 3.663636 B_`A[0H
3 0.000000 0.209062 -0.000397 0.000000 0.031846 1.060103 {>QrI4*A
4 0.000000 3.395560 0.057666 0.000000 0.009449 3.769940 ~u%9@}Oo>
5 0.000000 3.413463 -0.047616 0.000000-5.576629E-05 1.057009 1$@k@* u\
6 0.000000 3.410672 0.000000 0.000000-5.576629E-05 A &w)@DOe
0.003195 w
\0=L=J
REDUCED RAY ANGLES IN RADIANS AT IMAGE SURFACE Z i7(lG
PSI (X) PHI (Y) Z ,2H5CFX/
0.000000 -5.576629E-05 0.000000 TKoO\\
SYNOPSYS AI> g IX"W;
`{ F8#
该真实光线的路径非常接近BEAM追迹。 我们现在有一个工具，只要光束在系统的早期扩展，就可以让您使用真实光线分析和优化这样的系统。（因此衍射在此后几乎没有影响），这种实际光线应用粗略估计是有用的并且易于设置。 a+\ Gz
复杂 f`WmRx]K
但有时会非常复杂。 例如，假设腰部有一个元件。 如果厚度编号1为零，或者如果该表面不是虚拟的，则程序无法进行上述调整。相反，调整几何体，以便它可以追迹OBA物面（有限物距） 6xnJyEQUM
TH0 = 1.0E14 q7 Uu 8JXF
YP0 = TH0 * DIV SL%4w<
YMP1 = WAIST * RBS Vize0fsD
YP1 = 0.0 +t.T+`
EG
v .r$]O
因此，物体在无穷远处入瞳半径是输入OBG束腰半径的函数。在这种情况下，程序仍然可以进行光束分析，但是衍射并没有像以前那样考虑真实光线。然而，如果第一个元件扩展了光束，那么衍射就起不到什么作用，这仍然是一个有用的方法。 ?{_dW=AQ1
但是，如果光束在传输中有一个或多个表面或元件孔径非常小，该怎么办？ 假设一个扩束器位于束腰一米处，并且沿途有几个反射镜。 首先描述的技巧仅在表面1和2之间进行操作，请记住，在这种情况下，其他表面之间的衍射将被忽略但在此情况下不会被忽略。还有另外一个技巧，而且非常简单。 _z,/!>J
你所做的是将一米的厚度分配给表面1（或者扩展器之前的任何距离），在该距离处放置一个虚拟表面2，然后指定一个减去一米的厚度（或者需要的任何东西） 第一个反射镜或镜子到表面2.现在程序可以调整束腰的光束属性，以便在虚拟表面2处考虑衍射。如果追迹真实光线，它将在同一个地方到达表面2 正如高斯光束那样，你可以根据第一条规则从那里折射。 ^N Et{]x
光束轮廓 w^R5/#F_r
让我们看一下高斯光束。 输入以下AI句子： (jY.S|%
PLOT TRANS FOR YEN = -1 TO 1 J5J3%6I
Gjy'30IF
这显示了其中完美高斯形状。 还有其他方法可以看到形状。 在第11课中，我们将展示如何编写一个宏来通过COMPOSITE像差格式绘制轮廓，第12课展示如何设计一个简单的系统来扩束并同时产生均匀的强度。 我们展示了衍射传播程序DPROP如何分析改进的能量分布，给出了另一种分析这种光束的方法。 *XtZ;os]
对图像的影响 ?H*_:?=6
为了完成本课程，我们输出衍射图案。 由于光束是高斯光束，因此远视场图像的形状也是高斯的。 转到MDI对话框，输出PSPRD图。 v~ uwQ&AH
实际上，我们看到根本没有衍射环！ 这是高斯光束的特性。 衍射主要发生在光束的边缘，如果该边缘非常模糊，则下降到比中心低得多的值，则边缘处的衍射不起作用。 lt, x(2
要了解有关高斯光束，包括非圆光束和光束质量的影响，请在命令窗口中键入HELP OBG。
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