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 |y&vMx~t
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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。 Kl]l[!c7$
f('##pND@
第21章 物理光学传输 #r QT)n
Introduction介绍 ~h$
H@&5
K0\`0E^,
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。 *i V#_
9Us'Q{CD
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。 !'Ww%ZL\
1rV9dM#F
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。 rh T!8dTk
h9QQ8}g
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: e#@u&+K/f
?ZYj5[op,H
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)。 AmK g;9LS
#J~xKyJi'
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)。 GQ}R xu]
|WSmpuf
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)。 vj"['6Xa
o(D6
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: YGhHIziI
U["IXR#
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) z8
K#G%,:
H>wXQ5 ?W;
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束)
TIxlLOs
%>t4ib_8
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 u zL|yxt
\wV ?QH
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 $E^*^({
4"eeEs h
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。 EGjzjuJu{
%:y"o_X_
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: OT#foP
1~vv<`-
1. 物理光学通常比几何光学要慢; qot{#tk
d
xLw[
aYy4
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; -l{ wB"
ZK8DziO
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]。 9g7Ok9dF
1~[GGl
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。 l#a*w
*-gmWATC6
Support for multiple processors多进程支持 yn04[PN2
'8b=4mrbH
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。 q,]57s
9HAK
Diffraction propagation衍射传播 PcvA/W
r6L
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: 'h 7n}
f0g&=k{OD
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). n;k
B_i*l
]CgZt'h{
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). $B`bsJ
~AR0 ,lak
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 S.^x)5/,,T
[}y"rs`!
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。 "~T06!F45
fw0Z- 9*
电场的表征 EiWd =jDm
%j ?7O00@
Fresnel数 K\$z,}0
|sDp>..
近场和远场 YrTjHIn~w
O9Yk5b;
角谱法传输 }:+P{
F-Ywl)
Fresnel衍射法[传输] 2_){4+,fu
/(bn+l}W
选择正确的传输因子 s=n_(}{ q
&XSe&1
Frauhofer衍射法 ; T WYO
62#8c~dL
引导光束 m\ /V 0V\
LY!.u?D`P
相位数据的符号惯例 ~<[]l~`
cS"PIelR
Rayleigh范围内外的传播 dNz!2mbO
}fz;La:b
传播中的X,Y分离 !Ly1!;<
Zy >W2(<
采样间隔与采样点的备注 2|LkCu)~,"
I^S{V^Ty
通过任意光学表面的传播 znd fIt^
)>a^%V9
通过非序列表面的传播 mC84fss
#NWc<Dd
考虑偏振【的传播】 ">S.~'ds
cin3)lm
内存需求 +K[H!fD
tNCKL.yU
Defining the initial beam定义初始光束 l
#
F.S5i
1PT0<C-
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。 w~VqdB
L@6T~
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。 y?{YQ)fj
wGnFDkCNz
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。 "_e/O&-cH
z=VL|Du1OT
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。 WhR'MkfL
44cy_
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。 X3rvM8
6w^Fee`>]
Gaussian Waist T13Jn o
B!z5P"C(~
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: w\ 7aAf3O
rfxLCiV
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。
8Wyv!tL
fHwr6"DJ
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: QsH Fk5)
L<TL6
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%。 D[}qhDlX
`?:X-dh_
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。 FBJ Lkg0
%q
7gl;'
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。 NI?YUhg>
*Ldno`1O
Gaussian Angle 4vRIJ}nQ
z8hAZ?r1`
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: eLAhfG
'; Z!(r
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。 j
/=4f
^{Y9!R*9U*
Gaussian Size+Angle *^P$^lm?S
Q@/358.LA
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: DnW*q/=w
:0RfA%
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: DG"Z: ^`*
O<?z\yBtS^
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。 lGtTZcg
u|]`gsFZ\
Top Hat o2M4?}TpIV
)YP9
平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: +=A53V[C
AjA.="3
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。 73OYHp_j
x4vowF
File B7!dp`rPp
;nB.f.e`
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。 j:6VWdgq
r*t\\2
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。 k3B-;%3I;
*
>XmJ6w
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。 D#G(&<Q
q
k+(Ccl
ZEMAX Beam File (ZBF) binary format s5'So@L8
Fxr$j\bm
ZBF二进制文件格式定义如下。所有整数占4个字节,所有双精度占8个字节。 2{o
e J
i5 F9*
1 integer: The format version number, currently 1. d]6#pSE
5b^`M
1 integer: The number of x samples (nx). 78W&
m@){@i2.
1 integer: The number of y samples (ny). o|BEY3|
&p2fMVWJ7
1 integer: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. bM"crRG"
A(Ss:7({
1 integer: Units, 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. lP:ll])p2
12,,gwh
4 integers: Currently unused, may be any value. z;VabOr^
=whYo?cE(
1 double: The x direction spacing between points. ;<=B I!
!:^lTvYWZH
1 double: The y direction spacing between points. zU)Ib<$
p/k6}Wl
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. CgO&z<A!&
u`2[V4=L
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. {b6$F[e
5#v|t\
{
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. 1k8zAtuj
l6lyRJ
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. =,-&h
V
G*;6cV19
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. T$ )dc^
/{9"O y7E
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. i!JVGs
f2"1^M
1 double: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. oHbG-p
+w ]KK6
1 double: The index of refraction in the current medium. {yPiBu
,9C~%c0Pw
1 double: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. i;XkH4E:)
@m=xCg.Z
1 double: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. 0cwb^ffN
#&cNR_"w
8 doubles: Currently unused, may be any value. fv",4L
%fyah}=
2*nx*ny double: Ex values. R}-<ZJe
eBmBD"$
如果有偏振,在Ex值之后还有2*nx*ny个Ey值。 ][y~(&=T
@l:o0(!W
ZEMAX Beam File (ZBF) ASCII format [0(+E2/:2
?<iinx
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。 0"V L6$
`;9Z?]}`
A: indicates an ASCII file. Nn_n@K
m*d {pX
version: The format version number, currently 1. @,Iyn<v{B
kT+Idu
nx: The number of x samples. tC,R^${#
&ZRriqsQg
ny: The number of y samples. {iI"Lt
O7_u9lz2
ispol: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. \NEXtr`Th
H7xyK
units: 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. K6=i\
U '#Xwax
unused 1: Currently unused, may be any value. &C.{7ZNt
/>Z`?
unused 2: Currently unused, may be any value. _^ 2rRz
!`rR;5&sT
unused 3: Currently unused, may be any value. OUd&fUmH
:q.g#:1s
unused 4: Currently unused, may be any value. P@m_tA%
(W~')A"hC'
dx: The x direction spacing between points. LB1AjNJ
JYt)4mOo
dy: The y direction spacing between points. !5hNG('f
9Dq^x&z(
zx: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. i58&o@.H<u
c /G4@D>
Rx: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. [=})^t?8
&.zG?e.
wx: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. fq@r6\TI
,co~@a@9
zy: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. J 8z|ua
#^+C
kHX
Ry: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. a,GOS:?O5
h& t/
L
wy: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. DHUK_#!
tJ{3Z}K
lambda: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. J-6l<%962%
"G^Z>Z-`
index: The index of refraction in the current medium. 00?_10x)
3KyIBrdi?
re: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. ps DY}y\"
x:7"/H|
se: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. J<"=c
z$
H%L oI)w
unused 1: Currently unused, may be any value. ,G q?
0^H"eQO
unused 2: Currently unused, may be any value. CNo'qlvF5N
(;9-8Y&_