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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） s5FyP "V  
    相关文件：Tutorial_101.01，Snippet_028 {/12.y=)~  
    需求：VirtualLab™5.11.1-基本工具箱 w'ZL'/d  
    许可证：CC-BY-SA 3.0 Q/4g)(~J  
    ~=(?Z2UDA_  
    摘要 " M8 j?  
     ?1}1uJMj-  
    }K9Vr!  
    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。 {y=H49  
    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。 {6'5K U*RH  
    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。     D8slSX`6j  
    nU%rSASu  
    1. 建模任务 [>&Nhn0iY  
     _ ={*<E  
    如何描述一个真实的多模激光以实际的方式发出光线？ @P+k7"f  
    iOm1U_S  
    ],R rk]1  
    2. 方法 Jis{k$4  
     ]OZZPo  
    1) 大多数有稳定激光腔的多模激光可以由不同拉盖尔（Laguerre）或厄米（Hermite）高斯模式以非相干加权求和的方式来描述。这意味着在数学上多模激光的发射场可以用下式表示： pu nc'~  
    OM{-^  
     `7}6  
    /lDW5;d  
    RvV4SlZz  
    上述数学式中 为拉盖尔（Laguerre）或厄米（Hermite）高斯模式的（n，m）阶, αnm为权重因子。这里n=0，1…，nmax以及m=0，1，…mmax。 =K{$?%"  
    $ t_s7  
    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。 -cNh5~p=  
      (:].?o  
    h>$,97EU  
    ]"q[hF*PM  
    3. 在VirtualLab中的过程操作 gt6*x=RCrQ  
    :^lyVQ%@  
    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。 QsI#Ae,O#;  
    EaFd1  
    1) 评估最大模式阶数 @^} % o-:  
    %k{~Fa  
    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： g"( vl-Uw  
    cH'*J/  
    :h0as!2@dp  
    nmax=x方向上光强极大值的数量-1  IPa08/  
    mmax=y方向上光强极大值的数量-1 neJNMdv@T  
    ;r>?V2,tm  
    此例中：由下图光强分布计算出的nmax为3，mmax为0。 $4'I 3{$  
     z,}1K!  
    DSYtj} >  
    3lhXD_Y  
    }b2U o&][  
    2）设置多模高斯光源 iyU@|^B"Wa  
    @JE:\  
     rAIX(2@cR_  
    V\%;S  
    `da6}Vqj:  
    3) 设置优化函数 ?(>7v[=iT  
    !tv3.:eT  
    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)。 e<YC=67n)  
    COc1np  
    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。 ygS*))7 r  
     !0c7nzjm  
    {o+aEMhM  
    _s (0P*  
    b. 导入实际测量的远场光强分布 9c9-1iS  
    ;#78`x2  
    IJxdbuKg  
    4) 进行参数优化（Parametric Optimization） .}kUD]pW  
    }lML..((1  
    VirtualLabTM的参数优化（Parametric Optimization）可以用来计算模式权重。 6g29!F`y  
    DUEA"m h  
    a. 打开参数优化 pK1P-!c  
    (' /S~  
    ?+D_*'65D  
    图1
    b. 选择优化变量，即四个模式 o DPs xw  
    =r3Yt9  
    图2
    H.XD8qi3W  
    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： xO9,,w47  
    p]*$m=t0r  
    -转换效率（conversion efficiency）=100%（目标值） ,~X^8oY  
    -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。 B{H;3{0  
     fW!~*Q  
    #l2wF>0  
    图3
    E,shTh%&~  
    d. 使用下坡纯形法(Downhill Simplex)进行参数优化 ;"!dq)  
    VaJX,Q  
    图4
    rl'YyO}2  
    e. 运行后，得到目标方程值(Target Function Value) 收敛后的优化结果 RZjTUMAz4  
    T5B~CC'6  
    图5 6S])IA&VJ  
    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： yx3M0Qo  
     {3yzC  
    图6
    <d# 9d.<  
    4.总结 ^TVy :5Ag  
    SEr\ u#  
    VirtualLabTM允许模拟真实的多模高斯激光源。 {F6hx9?  
    J [2;&-@  
    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。 D@^ r  
    W:4]-i?2  
    QQ：2987619807     Ag }hyIl  
     
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