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 ]2'~e,"O
-Zh+5;8g
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。 DTY=k
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第21章 物理光学传输 IA'AA|v
Introduction介绍 `)fGw7J
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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。 7Ll(,i<,C
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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。 w,7
GC5j\
+tF,E^
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。 h2]Od(^[
zb (u?U
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: >v{m^|QqB
MDpXth7
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)。 KN=Orx7Gy
-rfO"D>
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)。 $) $sApB
y;H
3g#
3. 当传播距离很长,并且光束是几乎准直的时(准直光线经过任意距离仍然保持准直,然而实际光束却要衍射并发散)。 _ U\vHa$#
ZmDr$iU~
物理光学使用传输波前来模拟光学系统。光束是通过离散的采样点矩阵来描述的,类似于几何光学分析使用的离散采样光线。整个[采样点]矩阵通过光学表面之间的自由空间传播。在光学表面之间,通过计算传输函数,来得到从一个光学面到其它光学面的传输光束。对于任意相干光束,物理光学模型允许非常详细的研究,这包括: 5P4>xv[
sAxn
;
`
1. 任意形式的高斯[光束]及高阶多模激光束(用户自定义光束) V SxLBwXf
+}n]A^&I\E
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) D~Su822
:?TV6M
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 ~zx-'sc?
C-7.Sa
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 qJ!xhf1
C~B^sG@;
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 uIu0"pv`x
0M"E6z)9
通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: H>B:jJf
x]:mc%4-Z
1. 物理光学通常比几何光学要慢; x;I*Ho
UkUdpZ.[il
2. 因为整个光束矩阵必须一次性存储在内存中,所以对于大的采样矩阵,需要相当大的RAM; k"6^gup(U
7@`(DU`z
3. 采样限制了能够精确模拟的光束像差量级。对于大像差系统,应该使用几何光学[模型]。 wRKGJ
"o1/gV
下面几节将概述物理光学传输算法和Zemax使用这一特性所需的适当信息。 {`: !=
sbVeB%k
Support for multiple processors多进程支持 #q-t!C%E
~b+>o
在Zemax中,物理光学传输一般被设计为在多CPU计算机下工作。拥有双CPU或多CPU的计算机将比单CPU计算机或得更快的执行效率。 4 ClW*l
Y#G '[N>
Diffraction propagation衍射传播 5ZPl`[He
3^Ex_jeB
关于衍射传播的理论和方法在可以在书本中找到详细资料。Zemax中使用的方法是基于如下参考书: #Rs7Ieu+
n V<YwqK
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). h)w<{/p(
82$^pg>
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). X,p&S^
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h1
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 Z^sO`C
sx9N8T3n
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。 UuN(+&oD-
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电场的表征 OIN]u{S
#2}S83
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Fresnel数 niFjsTA.Z
tW,<Pe
近场和远场 =zsXa=<
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角谱法传输 6ik6JL$AI
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Fresnel衍射法[传输] 8!1o,=I$
7|2:;5:U
选择正确的传输因子 1vobfZ-w9
-V9Cx_]y
Frauhofer衍射法 Y.-i ;Mmu
k07O.9>
引导光束 /q]WV^H
(\]_/ W
相位数据的符号惯例 ': HV9]k
}JI5,d
Rayleigh范围内外的传播 2WKA] l;
k|w6&k3
传播中的X,Y分离 fd(>[RP?
k(s3~S2h
采样间隔与采样点的备注 JAgec` T%
r!(~Y
A
通过任意光学表面的传播 *FO']D
#ujcT%1G
通过非序列表面的传播 ,O2Uj3"
m'%F,c)
考虑偏振【的传播】 r8@:Ko= a
2(UT;PSI
内存需求 :qI myaGQ
}O_6wi
Defining the initial beam定义初始光束 m(9E{;
keX0br7u_
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。 ak<?Eu9rV
'?#e$<uS-
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。 vq x;FAqZ
Q}G
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。 ]Qj65]
nPKf~|\1{
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。 c!s{QWd%
P4s:wuJ^
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。 F> ..eK
ww=< =
Gaussian Waist ~aBALD0D;
u U\UULH0
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: lQoa[#q
N-lXC"{)
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。 N@*v'MEko%
R\6#J0&Y-
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: 9erTb?@S
#t9&X8:U
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%。 +>{{91mN
{R&F_51)V
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。 0^zu T
\\BblzGMR
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。 {DAwkJvb]
<` HLG2
Gaussian Angle $YFn$.70\
P oC*>R8
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: i_ I`Y
^-rb&kW@:
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。 s}UPe)Vu
RKRk,jRL
Gaussian Size+Angle E+csK*A7
Gh|q[s*k
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: `[[
A7
P3);R>j
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: KK/~W
=p ^Sn,t
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。 0!\pS{$zB
4,UvTw*2z
Top Hat !=Cd1
$<
9tqX77UK
平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: kC6J@t)
kx*=1AfU+Y
这里,设置框中的E0值用来产生单位面积上的峰值辐照度或光束总功率。 HtPasFrJ
kznmA`#jn
File x_AG=5OJX,
XoL9:s(m~
光束也可以根据用户自定义的格式数据列表文件来定义。列表数据值必须使用二进制或ASCII格式文件来定义,且要从磁盘中读取。文件必须以扩展名ZBF(Zemax Beam File)结尾。二进制格式与通过Zemax中”Save Output Beam To:”选项保存的文件格式一致。其中Ex和Ey值是用来定义Ex*Ex + Ey*Ey,以瓦特为单位。在光束被读入Zemax中时,如果单位标记指示光束单位不同于当前透镜单位,则会被自动标度到当前透镜单位。 =l?5!f9
@<r;>G
强调à所有的ZBF文件必须放置到Zemax安装目录下的\POP\BEAMFILES子文件夹。 (?;Fnq
T ^%$
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。 9Iy>oV
|'Z6M];8t
ZEMAX Beam File (ZBF) binary format e\tcP
44]/rP_m
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。 u 6$fF=
<Hig,(=`.
1 integer: The format version number, currently 1. 9!}&&]Q`
V1,O7m+F2
1 integer: The number of x samples (nx). zHeqV
{H=DeQ
1 integer: The number of y samples (ny). Sc`W'q^X
1s"6
1 integer: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. ZQZ>{K
":tQYo]d
1 integer: Units, 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. "~> # ;x{
'OK)[\
4 integers: Currently unused, may be any value. v=RQ"iv8
#0zMPh /U}
1 double: The x direction spacing between points. a}c .]zm]
BRhAL1
1 double: The y direction spacing between points. $&