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    [原创]SYNOPSYS 光学设计软件课程三十:理解高斯光束 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2023-07-18
    课程三十:理解高斯光束
    V._(q^  
    # (- Qx  
    背景: 41_SRh7N  
    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。 T t>8?  
    0{j&6I2  
    SYNOPSYS 中的高斯光束
    Q 3y;$"  
    M5trNSL&u  
    作为一个适应性强的光学程序,目标是在尽可能在不那么复杂的情况下获得准确的结果。因此,该程序以新颖独特的方式分析这种光束的特殊性质。 DU=dLE6-P;  
    主要问题是,如果光束直径很小,衍射作用贯穿了整个光束的传输。另一方面,光线穿过普通透镜,光束直径远大于光的波长,沿着直线进行非常好的近似,然后我们可以处理为光线了。高斯光束很难传播一段距离后还保持光束直径很小。光线的路径(波前)是弯曲的,在光线追迹中需要特别注意。 _Um d  
    考虑以下系统: dqX;#H}h  
    sIv)'  
    VnT>K9&3  
    SKW%X8  
        RLE ,p9i%i  
        ID OBG DEMO A%2:E^k(s  
        OBG .15 2 ZlojbL@|4  
        UNI MM UG<79"\i  
        WA1 .6328 _A~4NW{U7  
        1    TH 50 5~yNqC  
        2    RD -2.55 TH 2 GTB S 2z@\R@F  
        BK7 1lpwZ"  
        2    CAO 2 L.=w?%:H=  
        3    CAO 2 Gxa x2o  
        3    RD -55 TH 100 q SejLh6  
        4    RD 100 TH 2 PIN 2 @;?T~^nGj  
        5    TH 50 UMC ;zdxs'hJ  
        4    CAO 10 1LY8Ma]E  
        5    CAO 10 WW@d:R  
        7 )H}#A#ovj7  
        AFOC :>81BuMvg  
        END BJS-Jy$-  
    lW 81q2n  
    wap3Kd>MP  
    SI6B#u-i  
    $@i"un;  
    按照高斯光束的规则,物面被声明为 “OBG” 类型,腰在表面 1,半径为 0.15 毫米。根据 OBG 线上的第三个词,我们关心的是光线到达的点是 1/e* 2 的两倍。上图所示的边缘光线来自于光束的那个点。在这个例子中,我们还包括了两个简单的透镜,用来扩束和准直光束。 2:LHy[{5  
    如果我们把表面1的波束精确准直,那么表面2上的光束大小等于于表面1的光束大小。但这是不正确的,因为衍射会在光束到达表面的时候放大光束。为了解释这种影响,程序认为腰部的光束稍微弯曲,刚好使从表面1追迹到的真实光线与衍射的高斯光束以相同的角度接触到表面2。从这点出发,我们可以用通常的光线追迹方法来处理衍射光束,前提是此处衍射是由最小孔径引起的。 LA[g(i 7  
    寻找一个光束追迹,它根据近轴高斯光束理论对光束的任意位置进行评估。 Cbs5dn(Y  
    在命令窗口中输入 BEAM J4YBqp  
    (7DXRcr<  
    |0z;K:5s  
    !SKV!xH9  
    注意,由于衍射,表面 2 上的光束半径大于表面 1 上的光束半径。现在在光瞳点(0,0.5)处追迹真实光线,该点位于 1 / e ** 2点。 4c+$%pq5  
    在命令窗口中输入 RAY P 0 0 .5 SURF /Ky__l!bu  
    s[Ur~Wvn  
    X o{`]  
    Yh)Isg|0>  
    gf+d!c(/  
    J# kl 7  
    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。 )R sM!}  
    c '\SfW<  
    复杂
    3u33a"nL8  
    .4l/_4,s_  
    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) t]-uw-E  
    ?tg  y|  
        TH0 = 1.0E14 *{o UWt  
        YP0 = TH0 * DIV ~3RC>8*Qw  
        YMP1 = WAIST * RBS 6/ `.(fL1  
        YP1 = 0.0 KL'zXkS  
    ]h9!ei [  
    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。 X _$a,"'~)  
    但是,如果光束在传输中有一个或多个表面或元件孔径非常小,该怎么办?假设一个扩束器位于束腰一米处,并且沿途有几个反射镜。首先描述的技巧仅在表面 1 和 2 之间进行操作,请记住,在这种情况下,其他表面之间的衍射将被忽略但在此情况下不会被忽略。还有另外一个技巧,而且非常简单。 ggb |Ew  
    你所做的是将一米的厚度分配给表面 1(或者扩展器之前的任何距离),在该距离处放置一个虚拟表面2,然后指定一个减去一米的厚度(或者需要的任何东西) 第一个反射镜或镜子到表面2.现在程序可以调整束腰的光束属性,以便在虚拟表面 2 处考虑衍射。如果追迹真实光线,它将在同一个地方到达表面 2 正如高斯光束那样,你可以根据第一条规则从那里折射。 #?B%Ja% ;W  
    光束轮廓 =IKEb#R/  
    让我们看一下高斯光束。输入以下 AI 句子: B ZMu[M  
    PLOT TRANS FOR YEN = -1 TO 1 z}Jr^>  
    这显示了其中完美高斯形状。还有其他方法可以看到形状。在第11 课中,我们将展示如何编写一个宏来通过 COMPOSITE 像差格式绘制轮廓,第 12 课展示如何设计一个简单的系统来扩束并同时产生均匀的强度。我们展示了衍射传播程序 DPROP 如何分析改进的能量分布,给出了另一种分析这种光束的方法。 gf)t)-E  
    M|i o4+sy  
    对图像的影响
    )$Z(|M4  
    l|V;Ys5f  
    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,选择 PSPRD 图。 ug`NmIQP  
    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。 MK}-<&v  
    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。 kVS?RHR  
    (5$ZvXx?}  
    SYNOPSYS™ 现已更新至 2023 最新版本,评论留言添加工作人员可申请免费试用。 5f:DN\ ]  
    <a le$[  
    评论留言添加工作人员
    还可领取文章中学习文档及视频讲解
    3_5XHOdE  
     StYzGJ  
    fMf&?`V  
    P6U%=xaC  
    [XlB<P=|>  
    [ 此帖被小火龙果在2023-07-18 10:41重新编辑 ]
     
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