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 D+/27#
2H8,&lY.p
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。 95;q] =U
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第21章 物理光学传输 +(VHnxNQs
Introduction介绍 _NAKVzo-
89:Y s=
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。 ba^cw}5
m]JZ@
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。 b>AFhj :
f{[U->#^
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。 MzRURH,
,KF>PoySA
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: U@dztX@u
<l(6$~(-u
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)。 S+A'\{f
$Ml/=\EHOg
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)。 ,x}p1EZ
.w^M?}dx
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)。 ,JyE7h2%i
Q@hx+aM
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: ;=1]h&S
8'?V5.6?|~
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) vbzeabm
,/{mRw%
2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) _, /m
703=.xj
3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 h=umt<&D
^ Afq)26D
4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 _Dl!iV05:
D`PnY&ffT
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。 :<4:h.gO8
oHdss;q
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_PJ%
RRig
1. 物理光学通常比几何光学要慢; "knSc0,u
pzmm cjEC
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; U8kH'OD
F@4XORO;
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]。 +lmMBjDa
1ux~dP
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。 <n< @
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EU.vw0}u8
Support for multiple processors多进程支持 #=UEx
4thLK8/c5g
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。 z.n`0`^
Xm&L@2V
Diffraction propagation衍射传播 eW#U<x%P
K[Bq,nPo
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: &hWLG<IE
~(kIr?^
1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). 5"xZ'M~=
j%Mz;m4y
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). `'9Kj9}
hM\<1D
CKG
这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 qG3 [5lti
xevG)m
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。 B
MU@J
fI(u-z~,
电场的表征 5\1Z"?
^~}|X%q3
Fresnel数 V_jVVy30Ji
|g]TWKc*
近场和远场 > ^fY`x,
E15"AO
角谱法传输 rhY>aj
%J4]T35^2
Fresnel衍射法[传输] MN\/F4Io
>ijFQ667>j
选择正确的传输因子 (.\GI D+i
Cd)e_&
Frauhofer衍射法 <y5V],-U
2f\;#-
引导光束 8;9GM^L
k+S+: 5
相位数据的符号惯例 ZxkX\gl91
c 2j?<F1
Rayleigh范围内外的传播 ]4SnOSV?S
|sz`w^#
传播中的X,Y分离 kb1{;c:
ie+&@u
采样间隔与采样点的备注 +:1ay^YI
;SkC[;`J
通过任意光学表面的传播 ;`g\T u
Zy@35;r
通过非序列表面的传播 vai.",b=n6
x-+[gNc
6
考虑偏振【的传播】 g6EdCG.V
{n%-^9b1{&
内存需求 */xI#G,O+
V[,/Hw~d%
Defining the initial beam定义初始光束 >1:s.[&
65AXUTg
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。 ~!~VC)a*
a*&P>Lwe7&
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。 `
_()R`=
Pgf$GXE
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。 |GE3.g
eJ)Bs20Q
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。 V S2p"0$3D
F0:Fv;
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。 =%Gecj
z;1tJ
Gaussian Waist 7M}T^LC
`d6
{Tli
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: 4nkH0dJQ
R+lKQAyC0=
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。 hF+YZU]rT
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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: <;#d*&]
8kAG EiC
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%。 &