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 jG&HPVr
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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。 +|g*<0T5<
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第21章 物理光学传输 FYFlh^}
Introduction介绍 `~d7l@6F
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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。 BhAT@%
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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。 `-U?{U}H
V-(]L:[JQ
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。 \41/84BA
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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: mgH~GKf^
V0A> +
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)。 b7^q(}qE
fCNQUK{Gs5
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)。 UZFs]z!,k
sM)1w-
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)。 e^@ZN9qQ
:D3:`P>,c
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: c oZK
q90RTX'CY
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) XgVhb<l_
whw+
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) 7&P70DO
y,rdyt
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 1(T2:N(M-A
j|[$P4w}U
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 R73@!5N%
Yg5o!A
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 yph@H!@
(FGy"o%TP'
通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: '$p`3Oqi
qF(i1#
1. 物理光学通常比几何光学要慢; 6v scu2
oVP,ar0G
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; "h1ek*(?<
Xsanc@w)^C
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]。 eV(.\Lj
O251. hXK
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。 xv147"w'v
]b;a~Y0
Support for multiple processors多进程支持 fO5L[U^`
{I0!q"sF
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。 _-{=Z=?6}
]QY-LO(
Diffraction propagation衍射传播 _?felxG[
WRbdv{1E
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: -@w}}BR
,H?e23G
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). DsxNg
hEo$Jz`
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). so.}WU
N@Ap|`Ei
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 $aT '~|?
>2K'!@~'
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。 $!p2Kf>/Q
PmsZ=FY
电场的表征 )xg8#M=K
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Fresnel数 \cX9!lHl
krlebPs[
近场和远场 'Q]Wk75
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角谱法传输 ]o'dr
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Fresnel衍射法[传输] 8(NS;?
Cv>~%<
选择正确的传输因子 %>zG;4
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Frauhofer衍射法 w0yzC0yBk
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引导光束 \(^]R,~*!b
ebL0cK?
相位数据的符号惯例 wD6QN
Pu!C,7vUQ
Rayleigh范围内外的传播 K",Xe>
}(na)B{m
传播中的X,Y分离 $*XTX?,'
F!I9)PSj
采样间隔与采样点的备注 1z,P"?Q
$_HyE%F#
通过任意光学表面的传播 ?)Gb=
9}K
K]m6u}
通过非序列表面的传播 rnMi
>?
WqCER^~'>
考虑偏振【的传播】 f@Ve,i
Zl!
内存需求 vgNrHq&2q
:c}PW"0v
Defining the initial beam定义初始光束 !qH)ttW
) P+<=8@a
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。 Yu[MNX;G
]E.FBGT
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。 X,8Zn06M
nhm#_3!6A
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。 uE,TEa9;
,( hP /<
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。 -@'RYY=
$`C$|9S
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。 /bC@^Y&}
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Gaussian Waist yRhD<