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 BA53
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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。 k#&d`?X
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第21章 物理光学传输 l>Z"y\l=
Introduction介绍 "I}3*s9Q-
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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。 >d&B:
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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。
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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。 *v_+a:
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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: FQ26(.
-xPv]j$
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)。 +"'cSAK
+QGZ2_vW
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)。 uPQ:}zL2
F$F,I,$ "
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)。 sFuB[
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:=C-P7
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: CI{? Kb
vlY83mU.
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) j|c
.Cwgl
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) Q30AaG}f
[W;iR_7T5
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 ZF!cXo7d
#(=8
RA:@
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 DD{-xCCR
P>j^w#$n
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 2+m%f"
9`4M o+
通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: ^{lcj
3copJS
1. 物理光学通常比几何光学要慢; o'O;69D]tX
?S9? ?y/
2. 因为整个光束矩阵必须一次性存储在内存中,所以对于大的采样矩阵,需要相当大的RAM; :[YHJaK
nLicog)!I
3. 采样限制了能够精确模拟的光束像差量级。对于大像差系统,应该使用几何光学[模型]。 ~-ZquJ-
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下面几节将概述物理光学传输算法和Zemax使用这一特性所需的适当信息。 P|*c7+q
W;!OxOWZJ
Support for multiple processors多进程支持 N@6+DHt
wyJ+~
在Zemax中,物理光学传输一般被设计为在多CPU计算机下工作。拥有双CPU或多CPU的计算机将比单CPU计算机或得更快的执行效率。 G'<:O(Imu
z-ns@y(f@X
Diffraction propagation衍射传播 W<|
M0S{
cuzU*QW"g
关于衍射传播的理论和方法在可以在书本中找到详细资料。Zemax中使用的方法是基于如下参考书: A{X:p3$eN
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7':X
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). ZEa31[@B[
.Nt;J,U
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). >J(._K
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这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 5argw+2s4$
b?i5C4=K
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。 rMr:\M]t
_[F (8Qx"
电场的表征 0+S ;0
6)=`&>9
Fresnel数 w]1hoYuV
BPO)<bx_
近场和远场 V9`?s0nn^
SzXR],dA
角谱法传输 dmA#v:$1
kA/4W^]Ws
Fresnel衍射法[传输] 'aV])(Wm>
f[1 s4Dp3-
选择正确的传输因子 p.@kv
Y]!WPJ`f2
Frauhofer衍射法 U/ds(*g@
(>]frlEU~
引导光束 gpT~3c;l=
eYtP396C|
相位数据的符号惯例 V_\9t8
~t+T5`K
Rayleigh范围内外的传播 ;*(i}'
E)>.2{]C>
传播中的X,Y分离 Yw(O}U 5e
ibP IT!5c
采样间隔与采样点的备注 xqSoE[<v
~cv322N
通过任意光学表面的传播 mY=Q#nG
<S ae:m4
通过非序列表面的传播 m+|yk.md
PPAcEXsIu
考虑偏振【的传播】 y:',)f }
RE0ud_q2
内存需求 {"PIS&]tR
)&6ZgRq
Defining the initial beam定义初始光束 ~`97?6*Ra
43.Q);4
菜单中AnalysisàPhysical OpticsàPhysical Optics Propagation选项,调用物理光学传播特性。该特性的设置对话框允许用户选择各种选项,包括:定义初始光束,采样,表面范围和场的位置。具体设置见P215中可获得的选项与设置讨论。 ]Z IreI
pJdR`A-k|
X和Y采样确定了光束的采样点数。越大的值意味着更高的精度,但也需要花费更长的计算时间和更大的内存需求。 x$hT+z6DUC
F,8 ?du]
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。 t p<v
3p1U,B}
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。 G)IK5zCDd
b9 ;w3Ba
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。 k3+LP7|*
HT:V;?"
Gaussian Waist -{XDQ{z<%
3*zywcTH
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: SPT?Tt
[a_'pAH
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。 ?zuKVi?I
!tzk7D
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: 5pU/X.lc
Na>w~
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%。 b+`qGJrej
]T<tkvcI
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。 "c.@4#/_
Z'UhJu D5
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。 {TXfi'\
vRh)o1u)
Gaussian Angle cJE4uL<
3a?|}zr4
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: ]f~!Qk!I7r
)DGJr/)
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。
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Gaussian Size+Angle EK&";(x2(
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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: *C);IdhK%y
$0gGRCCG;
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: I~GHx5Dk
X[!S7[d-y
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。 GG`j9"t4
3bRW]mP8
Top Hat Cg(&WJw(ep
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平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: ?bPW*A82{q
6e S~*
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。 uPy5<