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 ${0%tCE
7n<#y;wo
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。 $OT}`Te~
xK=J.>h3
第21章 物理光学传输 o>$|SU!a
Introduction介绍 \ j
x0ZHR
'@S,V/jy0z
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。 H&u4v2
dRM5urR6,
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。 F42TKPN^uu
ax;{MfsK
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。 _p$"NNFN
1uY3[Z9S
几何光学和单步近似法对于大多数传统光学设计相当适用。其中,光束除了最终像外,均不在焦点附近。然而,这一模型在以下若干重要场合遭到破坏: <Q\H
K#iK6)tS
1. 当光线到达介质焦点处,特别是截迹光束时(光线模型自身不能正确的预测焦点附近的光线分布)。 Bd.Z+#%l"
1wU=WE(kKZ
2. 当考虑远离焦点的衍射效应时(光线[模型]仍然保持振幅和相位的均匀,波前[模型]却形成了振幅和相位结构)。 t{[gKV-b
AE]i
V {p
3. 当传播距离很长,并且光束是几乎准直的时(准直光线经过任意距离仍然保持准直,然而实际光束却要衍射并发散)。 `6n!$Cxo
SAQs{M
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: w64.R4e
<?nB,U
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) rS=tcBO
L F8Pb;I
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) k>$FT`
/bu'6/!`
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 e2qpJ4i
%f>X-*}NI-
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 zuUQ."#i
fuQ4rt[i
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 Rd .U;>
D l4d'&!
通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: 3^j~~"2,w
e!.7no
1. 物理光学通常比几何光学要慢; 5#yJK>a7
ze*&*csO
2. 因为整个光束矩阵必须一次性存储在内存中,所以对于大的采样矩阵,需要相当大的RAM; g"TPII$
:~WPY9i`
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]。 0zlM.rjEZ
u'#`yTB6b
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。 **Qe`}E:
xI-=tib
Support for multiple processors多进程支持 DN4fP-m-
=W;t@"6>2
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。
7=$+k]U8
v; je <DT
Diffraction propagation衍射传播 L`<T'3G
*(@L+D0N
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: }R7sj
+3NlkN#
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). aW52.X z%8
1}i&HIr!b
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). ~uP
r]#
Y\+(rC27
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 -d$8WSI8
Ib_n'$5#z
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。 ?|%\<h@;
stf,<W
电场的表征 ^4y(pcD
j;ff } b
Fresnel数
<^H1)=tlF
Qx6,>'Qk'
近场和远场 J=f:\]@Oy
< fojX\}3
角谱法传输 BFzcoBu-
v9j4|w
Fresnel衍射法[传输] "N?%mCPI
+YGw4{\EL
选择正确的传输因子 VEFwqB1l
aF;]7i@
Frauhofer衍射法 ;'2`M
3i@ "D
引导光束 <3i4NXnL2
wGov|[X
相位数据的符号惯例 m &0(%
``2QOu 1
Rayleigh范围内外的传播 }}4sh5z
yFPaWW
传播中的X,Y分离 CjC'"+[w
0?J|C6XM#4
采样间隔与采样点的备注 FR@PhMUS
@2GhN&=
通过任意光学表面的传播 Z@>=&
)vEHLp.
通过非序列表面的传播 2A@Y&g(6T7
5 WN`8?
考虑偏振【的传播】 /pAm8vK
EPE!V>
内存需求 cuV8#:
i
L5-T6CD
Defining the initial beam定义初始光束 '[M^f+H|
<WQ<<s@#pb
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。 q 2_N90u
O X5Co<u
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。 ex@,F,u>o
.pB8=_e:
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。 6oTbn{=UUq
g~ppPAH
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。 xzMeKC`
]2aYi9)
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。 oPBg+Bh*
dIBKE0`
Gaussian Waist azR;*j8Q'
niBjq#bJi
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: m
p|20`go
ABq {<2iYN
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。 z'\}/k+
.%J?T5D
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: +s/N@]5nW
%X0NHta~@
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%。 },Re5W nl
"&~?Hzm
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。 p^4;fD
[d^:
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。 fzkCI
Q~b M
Gaussian Angle +LI*!(T|lm
n ]6
0
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: Hl3XqR
8}pcanPg
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。 mNnw G);$
guU r1Ij
Gaussian Size+Angle U Qi^udGFD
VkN[=0a,
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: 2l[A=Z
WFeMr%Zqh>
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: |W~V@n8"6
'wB Huq
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。 $!l2=^\3
'4^V4i
Top Hat U$/Hp#~X
OnPy8mC
平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: JV?RgFy
fN"oa>X
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。 f5=t*9_-[
{Hp}F!X$
File B0 oY]r6
mBpsgm:g^
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。 <Z_wDK/UR
@)2V"FE4i
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。 vN%j-'D\A4
=@Nv:1:r
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。 &TkbnDuYd~
Mly z><
ZEMAX Beam File (ZBF) binary format {DXZ}7w:v
B[0,\>
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。 [P&,}o)+E0
hRy}G'0
1 integer: The format version number, currently 1. @Z=|$*9
tzW<&^
1 integer: The number of x samples (nx). j]?0}Z*
P15* VPy
1 integer: The number of y samples (ny). iq^L~RW5e
CF}Nom)
1 integer: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. @X6#$ex
'G3OZj8
1 integer: Units, 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. =<'iLQb1
wM4g1H%s
4 integers: Currently unused, may be any value. |phWK^
#c)Ou!Ldb
1 double: The x direction spacing between points. /6+%(f}7l
^? {kj{v
1 double: The y direction spacing between points. CMG`'gT
'Rh>w=wB'
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. hTtp-e`
_g`0td>N
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. /L|}Y242
dYqDL<se/I
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. X.AOp
(&]15 FJ$1
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. Ah>krE0t
[rQ(ae
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. TnU$L3k
o27`g\gDR,
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. e"adkV
qp_ `Fj:
1 double: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. JdYF&~
3F'dT[;
1 double: The index of refraction in the current medium. &|{,4V0%A
n#4J]Z@
1 double: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. ylxfh(
A-wxf91+:
1 double: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. hYZ:" x
vlN. OQ
8 doubles: Currently unused, may be any value. *-!ndbf
U}wq~fD
2*nx*ny double: Ex values. UlN|Oy,
l`%}
{3r9
如果有偏振,在Ex值之后还有2*nx*ny个Ey值。 hic$13KuP
Rw{v"n
ZEMAX Beam File (ZBF) ASCII format 8kc'|F\
,M h/3DPgE
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。 u[|S*(P
*4^]?Y\*
A: indicates an ASCII file. LLHOWD C(2
|M/
\'pOe
version: The format version number, currently 1. lg
UO!6&k>c
nx: The number of x samples. j p]geV54
z+D,:!yF
ny: The number of y samples. 2P=~3g*
%=<NqINM[
ispol: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. h%^kA@3F
_r5Ild@n
units: 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. ?~Ed
n-"Y
"l,EcZRjTz
unused 1: Currently unused, may be any value. h_G7T1;L
eC`f8=V
unused 2: Currently unused, may be any value. <({eOh5N
rtF6Lg
unused 3: Currently unused, may be any value. nkj'AH"2
j<P%Uy+
unused 4: Currently unused, may be any value. hJ*E"{xs
bNU^tL3QZ
dx: The x direction spacing between points. yaYt/?|
L0VR(
dy: The y direction spacing between points. v
4b`19}
HPdwx
V
zx: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. &