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 fM6Pw6k
|X0h-kX4
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。 -m3O\X
5$/ED3mcK
第21章 物理光学传输 O$+0 .
Introduction介绍 82{Lx7pI
8A#qbBD
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。 xx_]e4
|\Nu+w
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。 ^fa+3`>
!K'j[cA^
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。 R_`i=>Z-
To.CY^M
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: B|zJrz0q3
)%I2#Q"Nt-
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)。 -W<x|ph
U
q#$Al
2. 当考虑远离焦点的衍射效应时(光线[模型]仍然保持振幅和相位的均匀,波前[模型]却形成了振幅和相位结构)。 /I(IT=kp
&Ba` 3V\M
3. 当传播距离很长,并且光束是几乎准直的时(准直光线经过任意距离仍然保持准直,然而实际光束却要衍射并发散)。 hOG9
iv*`.9TK-
物理光学使用传输波前来模拟光学系统。光束是通过离散的采样点矩阵来描述的,类似于几何光学分析使用的离散采样光线。整个[采样点]矩阵通过光学表面之间的自由空间传播。在光学表面之间,通过计算传输函数,来得到从一个光学面到其它光学面的传输光束。对于任意相干光束,物理光学模型允许非常详细的研究,这包括: rOHU)2
4$ya$Y%s%
1. 任意形式的高斯[光束]及高阶多模激光束(用户自定义光束) Gm~jC <
tNj-~r
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) `fYICp
%ukFn
&-2@
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 >)\x\e
CY"&@v1
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 j51Wod<[
%5Q5xw]w3
5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 VC$,Y
hH_&42E6
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: =:Ahg
9
GG<{n$h
1. 物理光学通常比几何光学要慢; X: PB
}
>>22:JI`
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; o_R<7o/d|
Z\c^CN
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]。 8`~M$5!
vkUXMMuf+e
下面几节将概述物理光学传输算法和Zemax使用这一特性所需的适当信息。 |,#DB
5P'o+Vwz
Support for multiple processors多进程支持 7/C,<$Ep
E0?R,+>&4
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。 IsP-[0it
wiHGTaR
Diffraction propagation衍射传播 DO6Tz-%o
JWQd/
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: {EU?{#
~0/tU#&
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). "pUqYMB2i
:buH\LB*P
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). mXAGa8##j
nz_=]PHO&
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 PY.4J4nn|
]$Ud`<Xnx
译者注:以下部分均为Gaussian光束表征和传播的理论基础,由于比较复杂,且译者觉得用户即使不懂这部分内容,也可以根据后面的其他内容使用Zemax的POP功能,所以,在此仅将标题列出,内容部分如需翻译,以后再补。 ::?,ZA
}#'I,?_k
电场的表征 "wwAbU<
kHMD5Q
Fresnel数 =T7lv%u
vl}fC@%WRI
近场和远场 *S _[8L"
EY+/
foP
角谱法传输 Z/
w}so
'DLgOUvh
Fresnel衍射法[传输] d}B_ wz'
i*ibx;s-
选择正确的传输因子 <;eXbO>Q
1=o|[7
Frauhofer衍射法 xbUL./uj
%3SBs*?
引导光束 V%|CCrR
_T\/kJ)Q\
相位数据的符号惯例 KkD.n#A
VKGH+j[
Rayleigh范围内外的传播 *,x-}%X
}253Q!f
传播中的X,Y分离 ~%gO +qD
{Tr5M o
采样间隔与采样点的备注 b\
P6,s'(
'>"riEk
通过任意光学表面的传播 m%$GiNs}
%KjvV<f-a
通过非序列表面的传播 s*XE
$~^Y4 }
m
考虑偏振【的传播】 TK! D=M
<q}w, XU
内存需求 _R/^P>Q?
Nd;)V
Defining the initial beam定义初始光束 27"M]17)
KzgW+6*G
菜单中AnalysisàPhysical OpticsàPhysical Optics Propagation选项,调用物理光学传播特性。该特性的设置对话框允许用户选择各种选项,包括:定义初始光束,采样,表面范围和场的位置。具体设置见P215中可获得的选项与设置讨论。 76'@}wNnw
sLHUQ(S!
X和Y采样确定了光束的采样点数。越大的值意味着更高的精度,但也需要花费更长的计算时间和更大的内存需求。 E:7R>.g
k_,wa]ws$
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。 bY@ S[
A vh"(j
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。 [\_#n5
JXhHitUD
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。 [c`u
'c[|\M!u
Gaussian Waist ?^X
e^1(
E\_Wpk
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: #&$a7L}
<