zhl10501 |
2009-09-11 22:32 |
翻译Zemax手册物理光束传输
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 IHVMHOq}' T?e9eYwS 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。 ZeTL$E[E} +:y&{K 第21章 物理光学传输 Ps 7_-cH Introduction介绍 *+~D+_, _3U|2(E 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。 ni0LQuBp uWrFunh% 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。 2H>aC
wfX TMY{OI8 a 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。 Gt5$6>A !5E9sk{) 几何光学和单步近似法对于大多数传统光学设计相当适用。其中,光束除了最终像外,均不在焦点附近。然而,这一模型在以下若干重要场合遭到破坏: /Tcb\:`9 2*YP"Ryh 1. 当光线到达介质焦点处,特别是截迹光束时(光线模型自身不能正确的预测焦点附近的光线分布)。 ?.j,Bq5At 7%YYr^d 2. 当考虑远离焦点的衍射效应时(光线[模型]仍然保持振幅和相位的均匀,波前[模型]却形成了振幅和相位结构)。 .h!9wGi` X}?ESjZJ 3. 当传播距离很长,并且光束是几乎准直的时(准直光线经过任意距离仍然保持准直,然而实际光束却要衍射并发散)。 @>CG3`?} xcnt?%%M 物理光学使用传输波前来模拟光学系统。光束是通过离散的采样点矩阵来描述的,类似于几何光学分析使用的离散采样光线。整个[采样点]矩阵通过光学表面之间的自由空间传播。在光学表面之间,通过计算传输函数,来得到从一个光学面到其它光学面的传输光束。对于任意相干光束,物理光学模型允许非常详细的研究,这包括: z0;9SZ9 %Il ;B~t 1. 任意形式的高斯[光束]及高阶多模激光束(用户自定义光束) x{2o[dK4} :Lc3a$qtx5 2. 光束可以沿任意视场传输(斜光束) `~|DoSi^d -Y2&A$cM 3. 可以计算光学系统中任意表面的[光场]振幅,相位和强度 {\lui eG Kv1vx*> 4. 有限透镜孔径效应,包括空间滤光片 hOl=W |)v L-MiaKc L 5. Zemax可以通过光线追迹,精确计算通过任意光学元件的[光束]传输。 ,0FwBK
sxt`0oE 通常来讲,相比于常规光线追迹,物理光学模型能够更加精确和详尽的预测远离焦点的[光场的]振幅和相位结构。然而,对于物理光学传输分析也有一些缺点: u
IF$u o6:45 1. 物理光学通常比几何光学要慢; LEA;dSf j]#wrm 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; KKV)DExv? at=D&oy4"+ 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]。 A
mvw`u> {QW-g 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。 Gk{W:866 yX3PUO9 Support for multiple processors多进程支持 *|sxa# z,M'Tr.1| 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。 F"Uh/EO< G~O" / WM
Diffraction propagation衍射传播 \!m!ibr sb`&bA;i 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: }]tFz}E\ N*HH,m& 1. Goodman, Joseph W., Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, New York (1968). _qEWu Do AmgWj/> 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). 'G52<sF i+U@\:= 这里仅仅概述Zemax物理光学传播中,与材料相关的部分。 zLo;.X[Y FBYll[8 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,w:DX <r0.ppgY 电场的表征 F
ZM2 7:# Fresnel数 5FZ47m ~{Z lGl[^
0 近场和远场 (21']x `:V}1ioX5 角谱法传输 r(pwOOx :EYu 4Y Fresnel衍射法[传输] QCVsVG!sN <g]
ou
YHZ 选择正确的传输因子 fFjL pl };i&a%I| Frauhofer衍射法 <>SR 4 mu 2
A% "7 引导光束 #,7eQaica "[#@;{@Gt 相位数据的符号惯例 bcUC4g\9N =U=e?AOG2 Rayleigh范围内外的传播 |if~i;VKL B>{|'z?%> 传播中的X,Y分离 _{[k[] pk;ff q@ 采样间隔与采样点的备注 f37ji A Z]P+v 通过任意光学表面的传播 &G0l&8pa vsu@PuqH 通过非序列表面的传播 tniPEmeS 3Gc ,I:\ 考虑偏振【的传播】 JmnBq<&,0 C}n[?R 内存需求 YgO aZqN -iY9GN89c Defining the initial beam定义初始光束 sI^@A=.@ 1M7\:te* 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。 x>U1t!' UOn! Y@ 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。 yjGGqz$ b*btkaVue 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。 C/{nr-V3u @SKO~?7T 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。 83{x"G3> ,`ZPtnH+ 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。 MV
Hz$hyB
YRg=yVo2 Gaussian Waist Z}sG3p ipx@pNW;" 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: h5LJijJ "[%;B0J 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。 ${jA+L<J p2pTs&}S dx和dy值用来偏心光束。透射函数T(x,y)可以用来截迹光束为有限孔径。透射函数定义如下: Ymwx(Pm TSc~$Q] 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%。 hEyX~f Y{%4F%Oy 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。 UgF) J ]&3s6{R 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。 WHlD%u K[iY{ Gaussian Angle e8~62O^ &Iv\jhq
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: ki[;ZmQqY ()+jrrK 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。 x:f|3"\s F'V+2,. Gaussian Size+Angle o{ ,ba~$.w t-v^-# Gaussian Size+Angle模式光束,通过空气中测量的光束尺寸(非束腰)和远场发散半角(角度单位)来确定,并可以选择对TEM(0,0)模式偏心。Zemax使用指定的光束尺寸和发散角来计算束腰大小,束腰位置和相位。束腰由下式给出: _ 4~ng#M* 7i-W*Mb: 其中,theta角指发散半角,以角度度量。波长并不是相对于起始介质的【而是相对于空气的】。如果计算的结果束腰大于给定的光束尺寸(物理上当然是不肯能的),Zemax将会使用将会使用束腰值代替光束尺寸。光束相对于束腰的z方向位置由下式计算: sYAG,r>h u\Nw:Uu i 其中,zr是Rayleigh范围。如果x和y方向具有不同的[omega]值,将会产生具有环形相位面的椭圆光束。 M9uH&CD6U H3
A]m~=3 Top Hat K B`1% = @&~OB/7B: 平顶光束是一种可偏心的均匀振幅光束,其定义如下: q;1VF;<"vH DuTlYXM2^ 这里,设置框中的E0值用来产生单位面积上的峰值辐照度或光束总功率。 hO+O0=$}wN +Op%,,Db File NDs]}5# z/eU^2V 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。 8I5 VrT SXHru Z 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。 vWnHC ? e9XVQ* 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。 L]/\C{}k HKEop ZEMAX Beam File (ZBF) binary format ="#:=i] Vz7w{HY 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。 6k@% +<1 V'HlAQr 1 integer: The format version number, currently 1. )$gsU@H - giPhW> 1 integer: The number of x samples (nx). (!XYH@Mz<w }\`-G+i{W 1 integer: The number of y samples (ny). ]AFM Y<mB s60:0 > 1 integer: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. ;EE&~&*w O5G<O(,\ 1 integer: Units, 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. K-"HcHuF ^ RcIE ( 4 integers: Currently unused, may be any value. PO1:9 rHC+nou 1 double: The x direction spacing between points. <WHs
y:hCBgc;`c 1 double: The y direction spacing between points. V:0uy> H/^TXqQ8 1 double: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. rr07\; .qb_/#Bas 1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. 0?5% U'h[{ek 1 double: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. xnhDW7m 'sjJSc 1 double: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. {P<BJ52= bzj!d|T` 1 double: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. _Pfx_+ 7&RJDa:a7T 1 double: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. o$H Jg z2s|.M]&-D 1 double: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. r0?hX ) v[Knp' 1 double: The index of refraction in the current medium. >jrz;r Z68Wf5@to& 1 double: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. cDQw`ORP*g q~g&hR}K 1 double: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. i k1L Gwrx)Mq 8 doubles: Currently unused, may be any value. x3I%)@-Z ?{.b9` 2*nx*ny double: Ex values. Wf`OyeRz ~Q$c!=
如果有偏振,在Ex值之后还有2*nx*ny个Ey值。 |bG [TOa Ng_rb KXC# ZEMAX Beam File (ZBF) ASCII format 8@LykJbP ko+M,kjwR ZBF-ASCII文件格式定义如下。第一行必须是一个单独的字母“A“,其后是其它指定的数据值。 Og;$P'U [y=$2 A: indicates an ASCII file. o+)LcoPu ;@ll version: The format version number, currently 1. u>Axq3F dl7p1Cr nx: The number of x samples. &J&w4"0N' ?/l}(t$H ny: The number of y samples. ^?^|Y?f2P? HDW\S# ispol: The "is polarized" flag; 0 for unpolarized, 1 for polarized. 3]kAb`9[K2 dS;|Kl[Om units: 0 for mm, 1 for cm, 2 for in, 3 for meters. RP@idz r/q1&*T unused 1: Currently unused, may be any value. 1O3<%T#LOZ "za*$DU unused 2: Currently unused, may be any value. _"w!KNX>(~ ]-s`# unused 3: Currently unused, may be any value. C#?d=x o%~K4 M". unused 4: Currently unused, may be any value. Jm J,~_ (krG0S:0Q dx: The x direction spacing between points. #:\+7mCF H;7H6fyZ dy: The y direction spacing between points. ZV<y=F*~f CQuvbAo zx: The z position relative to the pilot beam waist, x direction. |z7Crz $evuPm8G Rx: The Rayleigh distance for the pilot beam, x direction. U5ud?z()OA qf&a<[p~ wx: The waist in lens units of the pilot beam, x direction. _8b>r1$ pYhI{ zy: The z position relative to the pilot beam waist, y direction. l-h7ksRs q!oZ; $ Ry: The Rayleigh distance for the pilot beam, y direction. E~g}DKs_5 rgZrE;*; wy: The waist in lens units of the pilot beam, y direction. K{w=qJBM Zn 5m.=z lambda: The wavelength in lens units of the beam in the current medium. W4rw ;(\ x#gmliF index: The index of refraction in the current medium. &qI5*aQ8T T#^6u) re: The receiver efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. -JO46
#m xo_k"'f+ se: The system efficiency. Zero if fiber coupling is not computed. 53&xTcv}x Pymh^i unused 1: Currently unused, may be any value. BiLreZ~" .idl@% unused 2: Currently unused, may be any value. +VW]%6+ n]{}C.C= unused 3: Currently unused, may be any value. B)cb}.N: z` ?xS unused 4: Currently unused, may be any value. WT
{Cjn fu "z%h] unused 5: Currently unused, may be any value. @k #y-/~? ]<_!@J6k unused 6: Currently unused, may be any value. hE#8_3 4%s ]:#$6D" unused 7: Currently unused, may be any value. ?'#;Y"RT J&Qy | |