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 B\A2Vm`&
6W."hPP
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。 f
sAgXv
:Eq=wbAw
第21章 物理光学传输 Z{7lyEzBg
Introduction介绍 pXPwn(
Urur/_]-%
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。 " &'Jw
48Y5ppcS
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。 n!~mdI&
sF^3KJ|
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。 &Al9%W
>tXn9'S
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: 6b4Kcl <i
Px5ArSS
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)。 +ia F$
ZvEcExA-
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)。 l j*ELy
dHc38zp
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)。 I^sWf3'db
|\"vHt?@G
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: Ffk$8"
h[72iVn
1. 任意形式的高斯[光束]及高阶多模激光束(用户自定义光束) ork/:y9*y
R4GmUCKB=
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) <T{2a\i 4f
^:W.R7|
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 xnWCio>M
SHS:>V
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 =(b;Cow
|&+g ,A _w
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 XbdoTriE
e|u|b
通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: 4$J:A~2H]
B4 5B`Ay
1. 物理光学通常比几何光学要慢; J;4x-R$W
"H\'4'hg
2. 因为整个光束矩阵必须一次性存储在内存中,所以对于大的采样矩阵,需要相当大的RAM; w
V&{w7
i|+ EC_^<
3. 采样限制了能够精确模拟的光束像差量级。对于大像差系统,应该使用几何光学[模型]。 H S/1z
CLU !/J$!
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。 qG3 [5lti
t]LCe\#
Support for multiple processors多进程支持 ;mH1J'.(a
G4->7n N
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。 K}ACZT)Wp
6T{Zee
Diffraction propagation衍射传播 +N1oOcPC>C
4} uX[~e&
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: g{wIdV
<r]7xsr
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). ^! /7
;K 38I}
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). |g]TWKc*
+RS>#zd/=
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 un0tzz
Dgh|,LqUB
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。 ?P4@U9i
6He 7A@Eh
电场的表征 2xRb$QF
$+P9@Q$
Fresnel数 +F q`I2l|
_KiaeVE
近场和远场 ,!_
q+2yp&zF
角谱法传输 *u.6,jw
+;SQ}[
Fresnel衍射法[传输] 6$[7t?u
Cd)e_&
选择正确的传输因子 JPL8fX-w
@>f]0,"(
Frauhofer衍射法 RP'`\||*
cAJKFuX"
引导光束 8>a/x ,
fU^B
3S6X
相位数据的符号惯例 !
{lcF%
I7b(fc-r
Rayleigh范围内外的传播 [Z6]$$!#2
eIc~J!?<&V
传播中的X,Y分离 >kOc a
q:sDNj)R\
采样间隔与采样点的备注 wm0vqY+N$
"6rZn_H/|
通过任意光学表面的传播 X&DuX %x0
n
m(yFX?=
通过非序列表面的传播 AfW63;kH
Gxfw!aF~
考虑偏振【的传播】 )k0e}
i.2O~30ST
内存需求 h-h U=I8
t$=FcKUV}f
Defining the initial beam定义初始光束 pHFlO!#]|
o+{}O_r
菜单中AnalysisàPhysical OpticsàPhysical Optics Propagation选项,调用物理光学传播特性。该特性的设置对话框允许用户选择各种选项,包括:定义初始光束,采样,表面范围和场的位置。具体设置见P215中可获得的选项与设置讨论。 &3v{~Xg)
on(P
X和Y采样确定了光束的采样点数。越大的值意味着更高的精度,但也需要花费更长的计算时间和更大的内存需求。 7t`<`BY^
k9UmTvX
X和Y宽度是以透镜单位测量的。宽度越大,光束中的非零强度空区间越多。这种区间叫做保护带。光束周围足够的空区间的存在是非常重要的。这种空区间给作为像差的光束扩展提供了空间。如果光束的某些部分变的非常接近光束矩阵的边缘,它们将变成“噪声”返回到光束中,这会降低计算结果的精度。 m>2b %GTh
D4'"GaCv
初始光束可能是以下一些类型:Gaussian Waist, Gaussian Angle, Gaussian Size+Angle, Top Hat, File, DLL, 或者 Multimode。下面的几节将详细讨论每一种光束类型。 (WiA
"{;]T
在任意表面之前的光学空间,光束可能会对任一定义的视场,沿主光线瞄准。光束的起始位置也可以通过“Surf To Beam”项对起始面偏置。关于光束束腰,Rayleigh范围,发散角的设定均可在P214的“Propagating the embedded beam”中找到。 :/ns/~5xa:
9oS \{[x.
Gaussian Waist ie^:PcU
B5Rm z&
高斯束腰型光束可以被截迹和偏心。任意阶Hermite-Gaussian光束定义如下: T_ Q/KhLU
f]"][!e!,
其中,Hi(u)是Hermite多项式函数,阶数为i,且可以沿X和Y方向分别用整数l和m独立描述。如果l和m均为零,将产生简单的TEM(0,0)“高斯”型光束。高阶模式可以通过修改阶数来描述。例如,设置l=1,m=2,将产生TEM(1,2)模式。Hermite-Gaussian光束的讨论见Saleh, B. E. A., and Teich, M. C., Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons, New York (1991).如果阶数高于30,Zemax将会自动设回为零,以阻止过长的计算时间。 _v4TyJ
A$ %5l
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: a*&P>Lwe7&
XG<J'3
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%。 I^/Ugu
D2|-\vJ>
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。 $1oU^VY
OTd=(dwh
束腰处定义的光束,在传播远离束腰后,其光束尺寸通常会扩展。见以下讨论的Gaussian Angle and Gaussian Size+Angle。 o*97Nbjn
;+K:^*oJ
Gaussian Angle LfyycC2E
!JUXq
Gaussian Angle模式光束,其束腰尺寸通过空气中测量的远场发散半角(角度单位)来确定,并可以选择对TEM(0,0)模式偏心。Zemax使用指定的发散角来计算束腰,这由下式给出: \*6%o0c
|DfYH~@(
其中,theta角指发散半角,以角度度量。波长并不是相对于起始介质的【而是相对于空气的】。如果X和Y方向角度不同,将会产生椭圆光束。光束在束腰处定义。 "[@-p
xr!FDfM.K
Gaussian Size+Angle 5R4h9D5
I%%\;Dy
Gaussian Size+Angle模式光束,通过空气中测量的光束尺寸(非束腰)和远场发散半角(角度单位)来确定,并可以选择对TEM(0,0)模式偏心。Zemax使用指定的光束尺寸和发散角来计算束腰大小,束腰位置和相位。束腰由下式给出: <oV
_EZ
U6FM`w<
其中,theta角指发散半角,以角度度量。波长并不是相对于起始介质的【而是相对于空气的】。如果计算的结果束腰大于给定的光束尺寸(物理上当然是不肯能的),Zemax将会使用将会使用束腰值代替光束尺寸。光束相对于束腰的z方向位置由下式计算: `d6
{Tli
z_!P0`
其中,zr是Rayleigh范围。如果x和y方向具有不同的[omega]值,将会产生具有环形相位面的椭圆光束。 (Z.K3
"m})~va
Top Hat TJ7on.;
Svn|vH
平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: ?yddr`?W
.r SeJZzuj
这里,设置框中的E0值用来产生单位面积上的峰值辐照度或光束总功率。 B$g!4C
`g
*r p@`W5
File bj(U?$
>!A&@1[M
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。 EiI3$y3;
s['F?GWg
强调à所有的ZBF文件必须放置到Zemax安装目录下的\POP\BEAMFILES子文件夹。 En+4@BC
* kgbcU f8
Zemax中的光束对于所选的视场和波长总是按主光线定中心。所以,光束文件中的数据应该相对于主光线来放置(主光线是用来对准光束的)。光束文件的中心点取坐标(nx/2+1, ny/2+1)。Zemax 中nx和ny取2的整数幂,例如32,64,128,256等。最小采样点是32,当前最大采样点为8192。当读取光束时,光纤耦合数据会被忽略掉;如果光纤耦合在输出中未被计算,就取零值。注意:全光纤耦合系数是接收效率和系统效率的乘积。第一个数据在-x,-y的交角处,然后沿首先沿x行【顺序读取】。Rayleigh距离将被忽略,并由Zemax自动重新计算。ZBF文件中存储的波长值由光束当前所在介质重新标度。 ?v#t{e0eQ
_]1dm)%
ZEMAX Beam File (ZBF) binary format ywmx6q4MFL
GhLgV
ZBF二进制文件格式定义如下。所有整数占4个字节,所有双精度占8个字节。 nk1(/~`
B;N40d*W
1 integer: The format version number, currently 1. vuuID24:
56u'XMB?
1 integer: The number of x samples (nx). =r+u!~%@''
wED~^[]f
1 integer: The number of y samples (ny). W>dS@;E
Slq=;TDp
1 integer: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized.
}CaL:kY8
y&lj+j
1 integer: Units, 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. B^U5=L[:p
EU ThH.
4 integers: Currently unused, may be any value. !fwLC"QC
E8jdQS|i
1 double: The x direction spacing between points. V;=SncUb
6h}f^eJ:K,
1 double: The y direction spacing between points. 6;dB
y2\, L
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. (o{QSk\
\`{ YqO T
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. -{pcb7.xuv
'68{dyFZL
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. rv;w`f
/QHvwaW[
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. [rU8%
`zC_?+
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. |g> K$m^
|6`yE]3-(
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. GUmOK=D >
(BMFGyE3
1 double: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. 0%k`*8
D?qA
aq&4
1 double: The index of refraction in the current medium. n0@e%=H)I
Rla1,{1
1 double: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. :uZcN
Wh(V?!^@5
1 double: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. lj@c"Yrk
/V46:`V
8 doubles: Currently unused, may be any value. 65=i`!f
rxIfatp^
2*nx*ny double: Ex values. H1 n`A#6?
cQu1WgQ
G
如果有偏振,在Ex值之后还有2*nx*ny个Ey值。 Th`IpxV
P
et0yH
ZEMAX Beam File (ZBF) ASCII format /0!6;PC<
_tb)F"4V
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。 fph*|T&R
d;:+Xd`
A: indicates an ASCII file. vxZvK0b620
7>wSbAR<
version: The format version number, currently 1. d#vq+wR
_&.CI6
nx: The number of x samples. tE9%;8;H
_yJd@
ny: The number of y samples. Q6RBZucv
d.% Vm&3
ispol: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. \.9-:\'(
;l &mA1+
units: 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. Kv{i_%j
jv5p_v4%O
unused 1: Currently unused, may be any value. }Wn6r_:
+<"sC+2
unused 2: Currently unused, may be any value. W _yVVr
gUy >I(
unused 3: Currently unused, may be any value. ^WVH z;
xx#;)]WT
unused 4: Currently unused, may be any value. \H*"UgS
v /G,
dx: The x direction spacing between points. V!DQ_T+a
*9`@
dy: The y direction spacing between points. 0KHA5dt
x!tCK47Yq
zx: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. <lB^>Hfu
Xi6XV3G
Rx: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. {&4+W=0
n
bv4lgRE6Y
wx: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. P,j)m\|
A>b o Xcr
zy: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. %_(e{Mf)
R8W{[@
Ry: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. ?r'rvu'/
0%cbno@1V
wy: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. H8mmmt6g
mKvk6OC
lambda: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. 3*/y<Z'H
tOn/r@Fd^E
index: The index of refraction in the current medium. va:5pvt2&
: ,fs'!
re: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. ,&G