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 *iR`mZb
2AluH8X/
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。 ,lUo@+
LgaJp_d>9*
第21章 物理光学传输 WP>O7[|
Introduction介绍 .UDZW*
nO/5X>A,Zw
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。 C+iP
@~
NUU}8a(K
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。 CV6H~t'1
I2 Kb.`'!
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。 KIS.4nt#d"
jlB3BwG{w
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: P-mrH
H^s SHj
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)。 &><`?
<Du*Re6g
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)。 3ZVfZf
RS1oPY
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)。 Yv;aQF"a
M}vPWWcl
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: +2g3%c0}
^J G}|v3$
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) w;_ Ds
u>eu47"n!
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) uqn Z
(
r O j,D
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 e`oc#Od&x]
Ju\"l8[f
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 l ghzd6
5Q88OxH
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。 o#Y1Uamkf
0QpWt
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: s6egd%r
,i|f8pZ
1. 物理光学通常比几何光学要慢; ]]7T5'.
o]Ki+ U
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; |(V3
.jKO 6f
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]。 BO_^3Me*
d?K8Ygz
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。 NWvxbv
L_~G`Rb3
Support for multiple processors多进程支持 c~
SI"
{)y4Qp
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。 5Zov<+kE
"f3>20}
Diffraction propagation衍射传播 -FI1$
ra&C|"~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: d
!H)voX
,?qS#B+>
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). (nzt}i0
\
C^D2Z6
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). ?Y9?x,x
B]vj1m`9
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 #cs!`Ngb+
:wZZ 1qa
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。 D.!4i.)8}
2R!W5gs1<
电场的表征 .>YJ95&\
[h1{{Nb#ez
Fresnel数 EkX6> mo
K"1J1>CHQ
近场和远场 -O5m@rwt<
OK 6}9Eu9
角谱法传输 G!\xc
PG!vn@b6
Fresnel衍射法[传输] `g=~u{0
k-U/x"Pl
选择正确的传输因子 ,b4&$W].
{aSq3C<r
Frauhofer衍射法 93\,m+-
2}b bdX x
引导光束 sn(}5;
BP6Shc|C
相位数据的符号惯例 Fo#*_y5\
+[ zo2lBx
Rayleigh范围内外的传播 C#Jj;Gd
9:>K!@
传播中的X,Y分离 rx/6x(3
9m6j?CFG}
采样间隔与采样点的备注 #"_MY-
E` |qFG<
通过任意光学表面的传播 .yPx'_e
:+Kesa:E
通过非序列表面的传播 -+>am?
BXY'%8q _a
考虑偏振【的传播】 _SqrQ
C)w*aU,(
内存需求 $b} +5
&UR/Txnu
Defining the initial beam定义初始光束 e=jO_[
.Q@"];wH
菜单中AnalysisàPhysical OpticsàPhysical Optics Propagation选项,调用物理光学传播特性。该特性的设置对话框允许用户选择各种选项,包括:定义初始光束,采样,表面范围和场的位置。具体设置见P215中可获得的选项与设置讨论。 _u$K Lqt/,
=&b[V"
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。 =HHg:"
Q_.Fw\l$`
X和Y宽度是以透镜单位测量的。宽度越大,光束中的非零强度空区间越多。这种区间叫做保护带。光束周围足够的空区间的存在是非常重要的。这种空区间给作为像差的光束扩展提供了空间。如果光束的某些部分变的非常接近光束矩阵的边缘,它们将变成“噪声”返回到光束中,这会降低计算结果的精度。 YqgW8EM
3)Y:c2
初始光束可能是以下一些类型:Gaussian Waist, Gaussian Angle, Gaussian Size+Angle, Top Hat, File, DLL, 或者 Multimode。下面的几节将详细讨论每一种光束类型。 ; \+0H$
>gJWp@6V
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。 7w, FA
x(=x;X$[^
Gaussian Waist L:-lqag!
b`zf&Mn
高斯束腰型光束可以被截迹和偏心。任意阶Hermite-Gaussian光束定义如下: Vi WgX.
E6M: ^p*<
其中,Hi(u)是Hermite多项式函数,阶数为i,且可以沿X和Y方向分别用整数l和m独立描述。如果l和m均为零,将产生简单的TEM(0,0)“高斯”型光束。高阶模式可以通过修改阶数来描述。例如,设置l=1,m=2,将产生TEM(1,2)模式。Hermite-Gaussian光束的讨论见Saleh, B. E. A., and Teich, M. C., Fundamentals of Photonics, John Wiley & Sons, New York (1991).如果阶数高于30,Zemax将会自动设回为零,以阻止过长的计算时间。 @k<~`S~|
03@|dN
dx和dy值用来偏心光束。透射函数T(x,y)可以用来截迹光束为有限孔径。透射函数定义如下: 99K+7G\{
R:N-y."La.
Ax和Ay是截迹孔径值。如果Ax和Ay为零,将不使用截迹孔径。平滑函数用来在截迹孔径边缘降低相关像素误差。平滑函数根据像素落在截迹孔径内的面积来给像素设置权重。截迹孔径在模拟接收光纤的模式时很有用,通常的截迹孔径比纤芯尺寸大约15%。 QEa=!O
7`HUwu
设置框中的E0值用来产生单位面积上的峰值辐照度或光束总功率。 |m- `,
we
c ?XUb[
束腰处定义的光束,在传播远离束腰后,其光束尺寸通常会扩展。见以下讨论的Gaussian Angle and Gaussian Size+Angle。 h>0<@UP
"M^W:4_
Gaussian Angle AW5g (
b_yXM
Gaussian Angle模式光束,其束腰尺寸通过空气中测量的远场发散半角(角度单位)来确定,并可以选择对TEM(0,0)模式偏心。Zemax使用指定的发散角来计算束腰,这由下式给出: i5Q<~;Z+
6/ipdi[
_
其中,theta角指发散半角,以角度度量。波长并不是相对于起始介质的【而是相对于空气的】。如果X和Y方向角度不同,将会产生椭圆光束。光束在束腰处定义。 Xf9%A2 iB
KTt$Pt/.
Gaussian Size+Angle z D<9A6AB
Q%Q?q)x
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: &Q>'U6"%
yXg1N
N
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: rJp6d :M
2j1v.%
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。 ]xEE7H]\h
^1=|(Z/
Top Hat Tj5@OcA$
P1 stL,
平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: 4uAafQ`@H
!!%[JR)cS
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。 9X9zIh]JV
**w~
File 2-!Mao"^
+|)1_NK
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。 } <4[(N
\N+Ta:U1P
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。 wS*CcIwj
?3,tG z)
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。 O&iYGREO
UMQW#$~C{g
ZEMAX Beam File (ZBF) binary format !r
obau7
zB"
`i
ZBF二进制文件格式定义如下。所有整数占4个字节,所有双精度占8个字节。 T,2Dr;
Pl&`&N;
1 integer: The format version number, currently 1. vx}Z
a<jE25t
1 integer: The number of x samples (nx). :;q_f+U
fhIj+/{_O
1 integer: The number of y samples (ny). h?3l
Kx185Q'W
1 integer: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. ^.kAZSgO
\}QuNwc
1 integer: Units, 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. oEoJa:h
m:fouMS
4 integers: Currently unused, may be any value. 0k0c
>ydb?
1 double: The x direction spacing between points. bSR+yr'?
)]?egw5l
1 double: The y direction spacing between points. Jo aDX ,
GL =XiBt
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. ^}/
E~Sg7\
0!,gT H>
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. fMEv85@JL
w[7.@ %^[
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. _q$LrAT
DT"Zq
1 double: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. Z F yX@#B9
%^?3s5PXD
1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. |5B,cB_
n vpPmc
1 double: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. |k
.M+
b}&7~4zw
1 double: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. K1/gJ9+(\
,C,e/>+My
1 double: The index of refraction in the current medium. +>:_kE]?nX
QB3d7e)8>
1 double: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. 5 (21gW9
Q@W|GOH3
1 double: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. r;on0wm&B
R!k<l<9q
8 doubles: Currently unused, may be any value. !E{GcK
*JY`.t
2*nx*ny double: Ex values. 56=K@$L {F
u->@|tEq
如果有偏振,在Ex值之后还有2*nx*ny个Ey值。 t>6x)2,TC
.W@4vrp@
ZEMAX Beam File (ZBF) ASCII format F'>GN}n
B==a
ZBF-ASCII文件格式定义如下。第一行必须是一个单独的字母“A“,其后是其它指定的数据值。 %V <F<
xngeV_xc2
A: indicates an ASCII file. w{e3U7;
:
>wQwf
version: The format version number, currently 1. Fi?Q
4b
le^_6|ek
nx: The number of x samples. +)JNFy-
7Z`Mt9:Ht
ny: The number of y samples. vpeBQ=2\
Q3Z%a|3W
ispol: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. @W1WReK]f
A
eGG
units: 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. !M]%8NTt2
(Q@+v<
unused 1: Currently unused, may be any value. .kbr?N,'
N0K>lL=
unused 2: Currently unused, may be any value. e>,9]{N+$
BbXU|QtY
unused 3: Currently unused, may be any value. BA1MGh
{8{t]LK<
unused 4: Currently unused, may be any value. 65waq~#
_z<Y#mik
dx: The x direction spacing between points. '"xL}8HX}
<;z[+6T
dy: The y direction spacing between points. Esz1uty
L_Y9+
e
zx: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. ^.@yF;H
D%;wVnUw
Rx: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. Z{a{H X[Jx
%$ir a\
sM
wx: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. /63W\
"M9TB. O
zy: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. Ws^+7u
W>}Qer4
Ry: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. UzU-eyA
;Na8_}
wy: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. BcZEa^^~os
Avs7(-L+s
lambda: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. -SQJH}zCT+
?jNF6z*M6
index: The index of refraction in the current medium. f.b8ZBNj>
FylWbQU9
re: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. I;kf
#nvao
pAJ=f}",]E
se: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. M>?aa6@0
k_*XJ <S!Y
unused 1: Currently unused, may be any value. I%;Rn:zl
j<l#qho{h
unused 2: Currently unused, may be any value. 'GV&]
hi ;WFyJTu
unused 3: Currently unused, may be any value. yfSiByU
ERp:EZ'
unused 4: Currently unused, may be any value. i(M(OR/4
u;+%Qh
unused 5: Currently unused, may be any value. !sg%6H?}
ur/Oc24i1n
unused 6: Currently unused, may be any value. 84[|qB,ML
0M#N=%31
unused 7: Currently unused, may be any value. 51o@b
vQ:x%=]
unused 8: Currently unused, may be any value. VFilF<