| zhl10501 |
2009-09-11 22:32 |
翻译Zemax手册物理光束传输
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 /SR*W5#s $9#H04.x 说明2:本翻译版中的章节和页码数,均以英文原版ZemaxManual(2008)为标准。 x /S}Q8!"} l/GGCnO/ 第21章 物理光学传输 <c-=3}=U\ Introduction介绍 %nZo4hnr$r xC:L)7#aw 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。 ::lKL GW@;}m( 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。 bHYy }weZ 4jMFr, 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。 orpri O|qD iL&fgF"' 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: O,
wJR .t-4o<7 3 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)。 )p0^zv{ G@\1E+Ip 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)。 %6,SKg p L(<*)No 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)。 'Cfl*iNb P>C~
i:4n 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: LVfF[ Tya1/w4 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) ) 1f~ dR88 dJoaCf`w 2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) &< `N T D Pb4X\9^ 3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 Xm}/0g&7 S(I{NL}=$ 4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 i2Qz4 $z u#$]?($}d 5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 mt{nm[D!Xp y/cvQY0pU 通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: SCHP L.n 5h-SCB>P 1. 物理光学通常比几何光学要慢; oXh#a8 '&tG?gb& 2. 因为整个光束矩阵必须一次性存储在内存中,所以对于大的采样矩阵,需要相当大的RAM; +H-6e P jyUjlYAAv` 3. 采样限制了能够精确模拟的光束像差量级。对于大像差系统,应该使用几何光学[模型]。 :D6
ON"6 _Xc8Yg }` 下面几节将概述物理光学传输算法和Zemax使用这一特性所需的适当信息。 p!7FpxZY 2g-j.TM Support for multiple processors多进程支持 KNvZm;Q6 Uw. `7b>B 在Zemax中,物理光学传输一般被设计为在多CPU计算机下工作。拥有双CPU或多CPU的计算机将比单CPU计算机或得更快的执行效率。 O7m(o:t x3 U0y% u Diffraction propagation衍射传播 QL&ZjSN 5y[Oj^ 关于衍射传播的理论和方法在可以在书本中找到详细资料。Zemax中使用的方法是基于如下参考书: ^e _hLX\SW feDlH[$ 1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). (AaoCa[ !mJ"gg 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). uK"=i8rs4 v\gLWq' 这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 l'-Bu( xQ-<WF1i 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。 %~H-)_d20 ?W?c1> 电场的表征 (ylTp]~mR- 3tIVXtUCUk Fresnel数 x;P_1J%Q /tx]5`#@7] 近场和远场 Eex~xiiV %+W{iu[| 角谱法传输 pk$l+sNZ= WdH$JTk1 Fresnel衍射法[传输] eCU:Q ifMRryN4 选择正确的传输因子 TCwFPlF| GX!G> Frauhofer衍射法 BQE|8g'&T ~*&H$6NJS 引导光束 SuJ aL-; *e TqVG. 相位数据的符号惯例 D09Sg%w ,Bi.1
%$ Rayleigh范围内外的传播 JW83Tp8[8 ,GbR!j@6 传播中的X,Y分离 ,F8 Yn5h )1J R# 采样间隔与采样点的备注 8sWJcmVo r"3=44St 通过任意光学表面的传播 FF`T\&u ul6]!Iy 通过非序列表面的传播 ,*TmIPNK [[Ls_ZL!= 考虑偏振【的传播】 G#q@v(_b L2[($l 内存需求 YNyk1cE Uou1mZz/ Defining the initial beam定义初始光束 WtsFz*`)y 6EoMt@7g 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。 MC&` oX[ w,p
PYf/t 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。 4<w.8rR:A -e"H ^: 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。 ~~/|dh5 >UTBO|95y
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。 y4
#>X }z'8Bu 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。 1APe=tJ !3c\NbU Gaussian Waist xf\ C|@i }1L4"}L. 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: R3)~?X1n )
yi
E@
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。 @muRxi q"CVcLi9 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: q5J5> Y!aSs3c 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%。 *2>&"B09` 8rAg\H3E 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#|IAq* L~(j3D*
3 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。 A_"w^E{P q<x/Hat) Gaussian Angle m^!Z_]A![ W@M:a 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: imhwY#D e-})6)XgA 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。 M~Tuj1? y1jCg%'H Gaussian Size+Angle H*?t^ @(EAq<5{ 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: 9d0@wq. wyH[x!QX 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: ih-#5M@ CCs%%U/= 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。 )J o:pkM >4x(e\B Top Hat Y Vt% 0 rK8lBy:< 平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: Fk&c=V;SU ueogaifvB 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。 "@^k)d$ `z}?"BW| File Q^P}\wb> ydEoC$?0 光束也可以根据用户自定义的格式数据列表文件来定义。列表数据值必须使用二进制或ASCII格式文件来定义,且要从磁盘中读取。文件必须以扩展名ZBF(Zemax Beam File)结尾。二进制格式与通过Zemax中”Save Output Beam To:”选项保存的文件格式一致。其中Ex和Ey值是用来定义Ex*Ex + Ey*Ey,以瓦特为单位。在光束被读入Zemax中时,如果单位标记指示光束单位不同于当前透镜单位,则会被自动标度到当前透镜单位。 ^ox=HNV v4!VrI 强调à所有的ZBF文件必须放置到Zemax安装目录下的\POP\BEAMFILES子文件夹。 6$hQ35 L8@f-Kk 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。 ^x ]r`b h:))@@7MJ ZEMAX Beam File (ZBF) binary format %_H<:uGO% F@D`N0Pte 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。 ''cInTCr SBu"3ym 1 integer: The format version number, currently 1. Ot0ap$& /$Ir5=B 1 integer: The number of x samples (nx). l
K{hVqpt zEX 1 integer: The number of y samples (ny). 5+4IN5o]= /obfw^ 1 integer: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. G6Axs1a @Rze|
T. 1 integer: Units, 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. d UE,U= [C 7^r3w 4 integers: Currently unused, may be any value. 5+0gR
&|j dw>C@c#" 1 double: The x direction spacing between points. BGZ#wru =osk+uzzG 1 double: The y direction spacing between points. x3=A:}t8 Ys9[5@7 1 double: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. S&5&];Ag :1Xz4wkWS* 1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. ='r!g JAnZdfRt 1 double: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. :wyno#8`- #6aW9GO 1 double: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. ?/E~/;+7= J9nX"Sb 1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. mkk6`,ov #4NaL 1 double: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. `,*3[ m]0;"jeL 1 double: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. bjW]bRw r| wS<cA2 1 double: The index of refraction in the current medium. ij`w} V QD&`^(X1p 1 double: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. ~8Fk(E_ |Pax =oJ\M 1 double: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. ] )\Pqn( uk:(pZ-uJ 8 doubles: Currently unused, may be any value. :K,i\ ;u
({\K 2*nx*ny double: Ex values. 8U"v6S~A%Q 2%Ri,4SRb 如果有偏振,在Ex值之后还有2*nx*ny个Ey值。 oUlY?x1 9!\B6=r y4 ZEMAX Beam File (ZBF) ASCII format r.&Vw|*> ? pmHFlx 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。 (_]~wi-, R$<&ie6UQ A: indicates an ASCII file. 9d659iC Xza(k version: The format version number, currently 1. 7hcYD!DS f|c{5$N! nx: The number of x samples. CNyIQ}NJ ,AFu C< ny: The number of y samples. s?}e^/"v dt]-,Y
ispol: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. L|7R9+ZG prF%.(G2) units: 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. &i6mW8l 6,"Q=9k4[ unused 1: Currently unused, may be any value.
Do7Tj ES7>H unused 2: Currently unused, may be any value. sf87$S0 lvz7#f L~ unused 3: Currently unused, may be any value. .@U@xRu7| \ :sUL! unused 4: Currently unused, may be any value. *vxk@`K~ ZhaP2pC%4 dx: The x direction spacing between points. *)T^ChD, 4F'LBS]=0 dy: The y direction spacing between points. 7,o7Cf2 z \&3+D8H>n zx: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. &
G4\2l9 JIOR4' 9 Rx: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. Yujiqi]J; ]Ie 0S~ wx: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. v MH "7F?@D$e zy: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. %_W)~Pv{+ om z Ry: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. w``ST 6Y?|w 3f
wy: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. k"zv~`i' q ^N7I@Y lambda: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. >W+%8e qiD@'Va\ index: The index of refraction in the current medium. mnX2a @,7GaK\ re: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. L+i=VGm0 k(G^z se: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. f+)L#>Gl? L48_96 unused 1: Currently unused, may be any value. D8?Vn" +_oJ}KI unused 2: Currently unused, may be any value. FHg
9OI67 {]@= ijjf unused 3: Currently unused, may be any value. 08\,<9 vw/J8' unused 4: Currently unused, may be any value. O-hAFKx LCKV>3+_# unused 5: Currently unused, may be any value. R.1.)P[ \?k'4rH unused 6: Currently unused, may be any value. )}Kf= z,p~z*4 unused 7: Currently unused, may be any value. A]oV"`f `mJ6K&t$< unused 8: Currently unused, may be any value. []1C$.5DD V6X 0^g Ex real value for point 1 D'DfJwA bwMm#f
Ex imaginary value for point 1 .[OUI U$A]8NZ$S Ex real value for point 2 Z=o2H Bm7 z$. 88^ Ex imaginary value for point 2 u `6:5k &@OT*pNna etc... for 2*nx*ny Ex values. =X:Y,? xY(*.T9K 如果有偏振,在Ex值之后还有2*nx*ny个Ey值。 0GCEqQy8 xfe+n$~ c DLL &B1Wt | |