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    [分享]真实多模激光的建模 [复制链接]

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    科学家
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2021-09-16
    作者：Daniel Asoubar（LightTrans） iDp)FQ$  
    相关文件：Tutorial_101.01，Snippet_028 *20jz<  
    需求：VirtualLab™5.11.1-基本工具箱 |O|V-f{l  
    许可证：CC-BY-SA 3.0 ]Kt6^|S$a  
    {0wIR_dGX  
    摘要 O|{d[eX  
     4K#>f4(U`g  
    5h=}j  
    1). 这个案例展示了如何在VirtualLab中对一个真实的多模激光源建模，如二极管激光器或受激准分子激光器。 DFB@O|JL  
    2). 因此，首先我们需要对于一个真实的多模激光光源进行远场强度测量。 df4A RP+  
    3). 基于远场强度的测量，通过参数优化（Parameter Optimization）来计算光源的最优模式的混合。     ooj,/IEQ  
    x_N'TjS^{  
    1. 建模任务 )9{0]u;9  
     2^[ `eg  
    如何描述一个真实的多模激光以实际的方式发出光线？ Eex~xiiV  
     NI76U  
    |^"1{7)  
    2. 方法 [I,Z2G,Jb  
     ;>EM[u  
    1) 大多数有稳定激光腔的多模激光可以由不同拉盖尔（Laguerre）或厄米（Hermite）高斯模式以非相干加权求和的方式来描述。这意味着在数学上多模激光的发射场可以用下式表示： "Y =;.:qe  
    wo;~7K  
     NdA[C|_8}f  
    s^G.]%iU  
    =vCY?I$P  
    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。 'j8:vq^d  
    w7.V6S$Ga  
    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。 C\Wmq [  
     {0Yf]FQb-a  
    p J! mw\:  
    !21FR*  
    3. 在VirtualLab中的过程操作 <sGVR5NR  
    )1J R#  
    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。 _lJ!R:*  
    %A9NB!  
    1) 评估最大模式阶数 Pe_W;q.  
     9X+V4xux  
    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：  lHY+}v0  
    v!-/&}W)1  
    ~tS Z%q  
    nmax=x方向上光强极大值的数量-1 B:yGS*.tu  
    mmax=y方向上光强极大值的数量-1 ^+>laOzC`8  
    @su^0 9n  
    此例中：由下图光强分布计算出的nmax为3，mmax为0。 O'p9u@kc  
     ios&n)W&  
    $kdB |4C  
    a8e6H30Sm  
    ~]IOK$1F%  
    2）设置多模高斯光源 (&Kk7<#`  
    T?CdZc.  
     ntX3Nt_n  
    JQ_sUYh~3  
    -e"H ^:  
    3) 设置优化函数 %8B}Cb&2c  
    YlJ@XpKM  
    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)。 \$~|ZwV{  
    #1A.?p  
    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。 \g`\`e53?  
     vFzRg5lH  
    j;+b0(53  
    7FP*oN?  
    b. 导入实际测量的远场光强分布 hn7# L  
    2. NN8PPD"  
    S:#lH?<_  
    4) 进行参数优化（Parametric Optimization） e9Wa<i 8  
    )Yh+c=6 ?  
    VirtualLabTM的参数优化（Parametric Optimization）可以用来计算模式权重。 i(rL|d+'  
    Fj8z  
    a. 打开参数优化 xC?6v '  
    wv>^0\o  
    ]NQfX[  
    图1
    b. 选择优化变量，即四个模式 xjUT{iwS  
    g{]0sn#  
    图2
    Y #ap*  
    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： ?um;s-x)  
    [r\Du|R-*  
    -转换效率（conversion efficiency）=100%（目标值） kf\PioD8  
    -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。 r Xt}6[S  
     m^!Z_]A![  
    %vn"{3y>rF  
    图3
    ;RZ )  
    d. 使用下坡纯形法(Downhill Simplex)进行参数优化 58}U^IW  
    XFVE>/H  
    图4
    \S `:y?[Y  
    e. 运行后，得到目标方程值(Target Function Value) 收敛后的优化结果 x xHY+(m  
    nK1Slg#U  
    图5 ANAVn@ [  
    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： XAD- 'i  
    V@.Ior}w  
    图6
    zH72'"w  
    4.总结 7y'RFD9@{  
    l5Uiw2  
    VirtualLabTM允许模拟真实的多模高斯激光源。 &@X<zWg  
    H5/6TX72N  
    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。 rK 8lBy:<  
    Fk&c=V;SU  
    QQ：2987619807     `P@<3]  
     
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