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真实多模激光的建模
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infotek
2023-05-22 08:22
真实多模激光的建模
<i5^izg
1). 这个案例展示了如何在VirtualLab中对一个真实的多模激光源建模,如二极管激光器或受激准分子激光器。
z(ajR*\#
2). 因此,首先我们需要对于一个真实的多模激光光源进行远场强度测量。
(R,eWWF8~
3). 基于远场强度的测量,通过参数优化(Parameter Optimization)来计算光源的最优模式的混合。
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$#!~K2$
1. 建模任务
iw{n|&Y#`
Um~jp:6p
如何描述一个真实的多模激光以实际的方式发出光线?
M$)+Uo2
/X?Nv^Hy
[Xrq+O,
2. 方法
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O Rfl v+
1) 大多数有稳定激光腔的多模激光可以由不同拉盖尔(Laguerre)或厄米(Hermite)高斯模式以非相干加权求和的方式来描述。这意味着在数学上多模激光的发射场可以用下式表示:
LCG<
`XnFc*L 1
e#seqx
5*CwQJC<
H|^4e
上述数学式中 为拉盖尔(Laguerre)或厄米(Hermite)高斯模式的(n,m)阶, αnm为权重因子。这里n=0,1…,nmax以及m=0,1,…mmax。
Zj JD@,j
L=$P
VirtualLab™的参数优化(Parameter Optimization)可以从实际测量的光强分布计算模式权重αnm。
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AIeYy-f
ovl@[>OB
%nIjRmqM~
3. 在VirtualLab中的过程操作
] !H<vR$8
s[g1ei9
在这一部分中,我们借助建模任务一章中所描述实例进行说明。
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yF:fxdpw
1) 评估最大模式阶数
L/ZZe5I
DFiexOb
对于厄米(Hermite)高斯TEM𝑛m模式,最大阶数nmax,mmax可以近似由实际测量的远场强度分布中延x方向和y方向的极大值的数量决定:
eD}Ga4
f9$98SI
)*uI/E
nmax=x方向上光强极大值的数量-1
Mk?9`?g.
mmax=y方向上光强极大值的数量-1
~$@I <=L
y`N1I
此例中:由下图光强分布计算出的nmax为3,mmax为0。
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6QV/8IX
O~D}&M@/R
=}L[/ RL
LKm5U6
2)设置多模高斯光源
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ugCc&~`
D H/1 :H
^b%AwzHH}
3) 设置优化函数
^,X+ n5q;m
Pg:Nz@CQ
在设定优化函数时需要用到一个特殊的探测器:谐波场集的衍射光学优化函数探测器(Diffractive Optics Merit Function for Harmonic Fields set Detector)(Snippet 028)。这是一个可编程探测器(Programmable Detector)。
q q`UvU
NZ_45/(dx
a.选择优化函数:双击此可编程探测器进入其编辑窗口。在此案例中,我们选择转换效率(Conversion efficiency)和信噪比(SNR)作为优化参数。因此在如图两项参数后输入1。
+vQyHo
Q=dR[t>^
T4UY%E!0
h$k(|/+
b. 导入实际测量的远场光强分布
t^YDCcvoQ
G6 GXC`^+
*8Lym,]
4) 进行参数优化(Parametric Optimization)
u&<LW4
7fVVU+y
VirtualLabTM的参数优化(Parametric Optimization)可以用来计算模式权重。
d ][E;$
^^[,aBu
a. 打开参数优化
2q#$?qs_b
J@$>d
Ywni2-)<
图1
b. 选择优化变量,即四个模式
cB<Zez
=gj]R
图2
rF5<x3
c. 目标值(转换效率和信噪比)(conversion efficiency和SNR)应该用以下方式指定:
|k^X!C 0
,Pl[SMt!
-转换效率(conversion efficiency)=100%(目标值)
41:Z8YL(
-信噪比(SNR)<测量信噪比(SNRMeasurement)(下限)。在这里测量信噪比(SNRMeasurement)是测量数据的信噪比。通常这个值受远场强度的测量精度影响。
mX#T<_=d
<l\FHJhjq
f(3#5288
图3
\UiuJ+
d. 使用下坡纯形法(Downhill Simplex)进行参数优化
]s<Q-/X
/r)d4=1E
图4
?GFVV ->i
e. 运行后,得到目标方程值(Target Function Value) 收敛后的优化结果
SVR AkP-
y_'8m9Qy)
图5
u%T.XgY=j
f. 通过显示光路图>显示优化结果(Show LPD>Show Optimized Results),优化的模式权重被写入到多模高斯光源中。单击运行(Run),得到优化好的结果:
0D\FFfs
{ u;ntDr
图6
-?GYW81Q
4.总结
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Ar\`OhR
VirtualLabTM允许模拟真实的多模高斯激光源。
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从一个真实光源测量的远场强度分布,可以计算其模式权重:通过一个参数优化(Parametric Optimization)结合衍射光学优化函数探测器(Diffractive Optics Merit Function Detector)(Snippet 028)来实现。
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