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多模光纤耦合Multi-Mode Fiber Coupling
原文链接：http://customers.zemax.com/os/resources/learn/knowledgebase/how-to-model-coupling-into-a-multi-mode-fiber
摘要：本文说明了利用几何图像分析特性来计算多模光纤耦合效率的方法
作者：Nam-Hyong Kim,Updated by Kristen Norton
发表日期：03/11/2016
示例文件：文章附件
适用于:序列光线追迹、优化、光纤耦合、OpticStudio
正文:
利用几何图像分析计算多模光纤耦合效率
可以使用OpticStudio中的几何图像分析（Geometric Image Analysis）计算多模光纤耦合效率。
为了使用几何光线来模拟多模光纤耦合，光纤的纤芯直径至少比波长大10倍，这样可以支持许多横模。 如果光纤是可以传播二阶或三阶模的多模光纤，则必须使用物理光。 在这篇文章中，“多模”被认为意味着支持很多很多种模式，以至于光纤可以被视为一个导光管。
几何图像分析可以从物面上一个具有特定尺寸和形状的扩展光源，生成任何表面的辐照度。此外，如果光线入射待测面的角度大于设定的阈值，它将过滤这部分光线。使用附带的示例文件，我们将演示如何使用几何图像分析功能来计算多模光纤耦合效率。
下载并打开本文示例文件。此系统将光耦合到多模光纤，其纤芯半径为0.1 mm, 数值孔径（NA）为0.2。目前，我们将忽略透镜上空气与玻璃的分界面(包括光纤上的分界面)产生的菲涅尔(反射)损耗。
纤芯的尺寸是通过在图像表面上指定0.1 mm半径圆孔来模拟的。在此文件中，孔径类型为“浮动（Floating Aperture）”，圆形孔径的大小由图像表面的半直径（semi-diameter）控制。
在分析选项卡（Analysis）>扩展场景分析（ExtendedScene Analysis）>几何图像分析（Geometeric Image Analysis）下打开几何图像分析窗口：
在提供的示例文件中，应该已经有一个几何图像分析窗口。
以下是设置参数:
接收光纤的数值孔径在NA栏中输入。由于我们假定轴上的点光源位于物方无穷远处，所以视场大小（FieldSize）（扩展光源的大小）为零。因此，由“文件（File）”选项控制的光源的形状并不重要。“图像大小（Image Size）”选项确定了，像面上的你感兴趣的区域大小; 你也可以把它想象成探测器的大小。我们将限制光线的数量为10000，以加快计算速度。
操作数IMAE
耦合效率仅2%左右，并在几何图像分析窗口下方的文本中显示。
我们将优化像面位置（接收光纤位置）来提高耦合效率。在评价函数编辑器中的操作数IMAE的数值为分析图表上的耦合效率。由于几何图像分析中的参数设置种类多于评价函数编辑器中可用列的数量，因此IMAE操作数使用分析窗口中上次保存的设置，即先在几何图像分析中保存设置，再使用操作数。这些设置保存在一个xxx .CFG配置文件，它是通过点击图像的几何分析设置的“保存（Save）”按钮来更新的：
IMAE操作数现在将采用保存的参数设置来显示正确的耦合效率。
由于IMAE操作数使用不同的随机光线组，因此该值与几何图像分析窗口中报告的值略有不同。
由于surface # 3的厚度已经设置为变量，我们需要做的就是通过点击优化选项卡（Optimize tab）>优化！（Optimize！）来优化系统。
选择正交下降（OrthogonalDescent）算法，然后点击开始:
评价函数（量化值）应该很快下降，优化完成后，单击“退出”。 更新优化评价函数编辑器，你会发现耦合效率已经提高到54％左右。我们也可以在几何图像分析窗口中看到这个：
菲涅耳损耗：
假设芯是由N-BK7构成的。 如果我们要考虑所有空气与玻璃的界面（包括光纤芯）处的菲涅耳损耗，我们需要在几何图像分析设置中启用偏振选项（Polarization）。偏振计算也将考虑双凸透镜的体吸收。
在图像表面指定N-BK7玻璃作为纤维芯玻璃材料，并在几何图像分析设置中启用“使用偏振（Use Polarization）”：
为了看到在评价函数编辑正确的效率，请确保你保存了分析的设置参数。
新的耦合效率已降至47％左右：
总结和引用
本文通过几何图像分析，论证了多模光纤耦合效率的计算方法。在设置中启用偏振选项将考虑菲涅耳损耗和体吸收的影响。
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