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_}OKn)J
7$<.I#x
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。 &&xBq?
BdG~y1%:
第21章 物理光学传输 Z%y>q|:
Introduction介绍 mFjX
a57Y9.H`o
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。 dD?1te
4{(uw
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。
T,@.RF
>E|@3g
+2
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。 w>p0ldi
^G[xQcM73
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: Sav]Kxq{
lTvI;zy
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)。 zIi|z}WJ
$\Bzp<SN`
2. 当考虑远离焦点的衍射效应时(光线[模型]仍然保持振幅和相位的均匀,波前[模型]却形成了振幅和相位结构)。 81eDN6
M\
7cr@;%#
3. 当传播距离很长,并且光束是几乎准直的时(准直光线经过任意距离仍然保持准直,然而实际光束却要衍射并发散)。 s:7^R-"
.9
mwRYgD
物理光学使用传输波前来模拟光学系统。光束是通过离散的采样点矩阵来描述的,类似于几何光学分析使用的离散采样光线。整个[采样点]矩阵通过光学表面之间的自由空间传播。在光学表面之间,通过计算传输函数,来得到从一个光学面到其它光学面的传输光束。对于任意相干光束,物理光学模型允许非常详细的研究,这包括: ,=O`'l>K
~YA*
RCe
1. 任意形式的高斯[光束]及高阶多模激光束(用户自定义光束) /1F%w8Iqh
cTCo~Pk4
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) mM!'~{r[-
Y;8Y s&/t
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 "=@b>d6U+
l~;H~h!h/
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 PUV)w\!&is
:tp2@*]9Z
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 NeAkJG=<
_G|hKk^,
通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: +>/ariRr
.+MJ' bW
1. 物理光学通常比几何光学要慢; |!E>I
vH%AXzIA
2. 因为整个光束矩阵必须一次性存储在内存中,所以对于大的采样矩阵,需要相当大的RAM; CnSf GsE>
/vll*}}
3. 采样限制了能够精确模拟的光束像差量级。对于大像差系统,应该使用几何光学[模型]。 Umjt~K^Z
Ehi)n)HhG"
下面几节将概述物理光学传输算法和Zemax使用这一特性所需的适当信息。 L^i=RGx
5XySF #
Support for multiple processors多进程支持 (4cWq!ax<$
91qk0z`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"\%x=#
L^bt-QbhO
Diffraction propagation衍射传播 NUbw]Y90~
/ts=DxCC;
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: p4Cw#)BaS
^u&oS1U
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). GmP)"@O](;
JQ=i{ 9iJ
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@wF2=
6E/>]3~!
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 xI}o8G KQq
8@]*X,umc
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。 5LdVcXf
(|)`~z
电场的表征 |z\5Ik!fF]
'kb5pl~U
Fresnel数 M #'br<]
&[:MTK?x!
近场和远场 1^XuH('
r8g4NsRVtv
角谱法传输 pd{W(M78g
6r!
Y ~\@
Fresnel衍射法[传输] ph{p[QI:{X
9pUvw_9MY
选择正确的传输因子 B!-hcn]y
HeABU(o4
Frauhofer衍射法 kP~'C'5Ys
59mNb:<
引导光束 oJa6)+b(3
bwo-9B
相位数据的符号惯例 gwhd) .*
@)PA9P |
Rayleigh范围内外的传播 xxkUu6x#
56gpAc
传播中的X,Y分离 1{+x >Pv:
nX4R
采样间隔与采样点的备注 ;, P-2\V/
DTmv2X
通过任意光学表面的传播 WeDeD\zy
!`=ms1%U
通过非序列表面的传播 |T?wM/
bj23S&
考虑偏振【的传播】 \$:KfN>WY
KilgeN:
内存需求 [M>Md-pj
7jvy]5y8&~
Defining the initial beam定义初始光束 N<lejZ}!q
rMXIw
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。 9ZvBsG)
'F%4[3a$\n
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。 n,sf$9"
"<o[X ?u
X和Y宽度是以透镜单位测量的。宽度越大,光束中的非零强度空区间越多。这种区间叫做保护带。光束周围足够的空区间的存在是非常重要的。这种空区间给作为像差的光束扩展提供了空间。如果光束的某些部分变的非常接近光束矩阵的边缘,它们将变成“噪声”返回到光束中,这会降低计算结果的精度。 06DT2
r_C|gfIP
初始光束可能是以下一些类型:Gaussian Waist, Gaussian Angle, Gaussian Size+Angle, Top Hat, File, DLL, 或者 Multimode。下面的几节将详细讨论每一种光束类型。 -
s[=$pDU
:#D?b.=
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。 #vrxhMo
}L
Q9db1
Gaussian Waist RtVy^~=G
~3byAL
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: O@JgVdgf
,XT#V\qne
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。 )E;+C2G
~RcI+jR)
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: 1d/-SxhZ
]jbQou@
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%。 Q'-V\G)11
w-2&6o<n-
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。 mF!/8qk
)aoB-Lu
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。 D|-^}I4
f[,9WkC
Gaussian Angle ?^Sk17G
C${{&$&