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[技术文章] 使用物理光学传播(POP),第一部分:检查光束

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    发表于 2017-11-14 13:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
    本帖最后由 wilhelm 于 2018-6-4 15:45 编辑

    使用物理光学传播(POP),第一部分:检查光束
    Using the Physical Optics Propagation(POP), Part1: Inspecting the Beams


    总结:
    这篇文章介绍在OpticStudio中,如何使用物理光学传播(POP)工具描述空间电场传播的。通过介绍光束查看器(Beam File Viewer)来查看每个表面的相位和强度信息。

    作者:Erin Elliott

    发布时间:09/14/2016

    示例文件:见附件

    应用:OpticStudio、物理光学、物理光学传播

    文章:

    介绍
       
       在OpticStudio中许多功能是按钮式的,即点击这个功能按钮,对应的结果就将显示。但POP工具有一定的特殊性,它是在自由空间使用标量衍射理论来计算传播电场,需要读者正确的设置来保证结果的正确。这是由菲涅尔传播过程的本征特性决定的,这一特性和快速傅里叶变换(FFT)相关,并且我们必须在高分辨率和栅格宽度间寻求一个平衡,来满足采集所有所需空间频率信息的需求。使用者在每一次进行物理光学传播分析时运行时,都必须要仔细检查分析的参数设置和结果
       
           这一系列文章有三个部分。我们将通过示例的方法使用物理光学传播来设置和评估一个简单的系统。在本系列第一篇文章中,我们首先将了解示例系统,然后讨论如何评估物理光学分析的结果。在第二篇文章中,我们将讨论查看光束的强度信息以及可能产生的问题。在第三篇文章中,我们将塔伦查看光束的相位信息以及可能会出现的问题。

            使用物理光学传播,第二部分:检查光束的强度


    中文论坛翻译:待添加

           使用物理光学传播,第三部分:检查光束的相位


       
           我们不会过多的讨论空间传播理论和所有POP算法的细节。在阅读这一系列文章之前,你应该先阅读OpticStudio提供的文件(帮助系统、用户手册)中有关物理光学传播的信息。
      
            在帮助(Help)下拉菜单下,点击“帮助系统(Help System)”按钮。你可以在搜索表单中查找“物理光学(POP)”,或者在“目录(Contents)”,查找“分析菜单(The analyze Tab) - 激光和光纤光学( Laser and Fibers Group)- 有关物理光学传播( About Physical Optics Propagation)”,如下所示。
    图片1:进入OpticStudio帮助系统

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg
    图片2:找到有关POP信息的帮助文件
    透镜文件例子
       
       我们将要评估的光学透镜文件如图3和图4所示。它是一个双透镜系统。第一个透镜准直光束,第二个透镜聚焦光束。透镜都是r^4非球面系数来校正球差的非球面透镜。
       
             在光束准直部分有一个小的中心遮光部分。系统波长设置为1mm。


    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
    图片3:双透镜示例系统布局图(layout)。

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg
    图片4:双透镜系统的透镜数据编辑器。
       我们希望用一束高斯光束做为系统光源,假设它是由光纤提供的。在下面显示的透镜数据编辑器(Lens Data Editor)中,孔径类型是物方数值孔径(Object Space NA),其孔径值0.05。使用下面的方程式,得到光束的光束发散角2.9°,高斯光束束腰半径6.4mm。

       

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.jpg
        除了这些设置,更重要的是你需要知道布局图只使用几何光线追迹! 布局图中的光线并不表示一个真正的高斯光束。 更多信息,参见另一篇文章“几何光线和高斯光束(Geometric rays and Gaussian beams)”。

        在我们使用的示例系统中,光线在束腰以外的地方很好的表示了高斯光束。我们可以使用足迹图(Footprint Plot)或其他以光线追迹为基础的分析工具,来综合验证远离焦点时物理光学传播分析的结果。

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg
    图片5:系统参数设定物方数值孔径(Object Space NA)值0.05和切趾类型(Apodization Type)为高斯型(Gaussian)。
    POP初始结果
       
       通过选择物理光学(Physical Optics)启动分析选项POP分析,如下图所示。


    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg
    图片6:使用物理光学按钮启动分析。
       使用在POP窗口左上角的向下箭头进入POP设置。 有四个标签。 对于这个示例系统,我将开始使用下面的设置。
       
            需要注意的是,物理光学传播分析不会使用系统设置里设置的物方数值孔径。 光纤所产生的高斯光束的数值孔径必须在物理光学传播分析中手动设置。 在系统设置里设置的数值孔径只对几何光线追迹分析有效。

             在光束定义(Beam Definition)菜单下设置输入高斯光束的束腰尺寸,数值孔径0.05的高斯光束对应束腰半径约为6.4μm。 我将设置一个1024 x 1024的网格,并在X和Y方向分别设置 0.1mm的网格宽度。


    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.jpg
    图片7:物理光学传播分析中通用(General)选项的设置。
    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg

    图片8:物理光学传播分析中光束定义(BeamDefinition)选项的设置。
        在显示(Display)选项中,我将勾选“保存输出光束到:(Save Output Beam To:)”和“保存所有表面的光束数据(Save Beam At All Surface)”。这将为每一个包含光束电场信息的表面创建一个.ZBF的文件。

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.jpg

    图片9:POP设置的显示选项。
       运行物理光学传播分析之后,在像平面得到光照度图。 大致上看不出任何明显的问题。在有光强的地方分布了许多像素,看起来采样率(Sample)是足够的。输出光斑也没有出现异样或其他奇怪的现象。 但如果切换到特征报告(Prop Report)选项,就会发现潜在的问题:在表面2出现了 “光束采样过不足(Low Sampling of pilot beam)”的错误提示。

       此外,由于物理光学传播分析计算的复杂性,在每次运行分析之前我们必须检查每个表面上的光束信息,以确保计算正确。

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.jpg

    图片10:POP分析的结果。
    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.jpg

    图片11:从特征报告(Prop Report)选项可以看出计算过程中出现的问题。
    检查光束文件
       
        为了解决计算中出现的问题,我们需要查看每个表面保存的文件(.ZBF)。这需要打开分析(Analyze)选项中物理光学(Physical Optics)按钮旁边的光束文件查看器(Beam File Viewer)。

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.jpg

    图片12:进入光束文件查看器。
        在光束查看器的设置里菜单中,有一个ZBF文件的下拉选项。 每个文件是以“00xx”为结尾保存的,用来表示该光束文件的表面序号。没有数字为结尾的文件是像平面的数据,它和物理光学传播分析窗口中显示的结果相同。

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image017.jpg

    图片13:在光束文件查看器设置中选择一个ZBF文件。“00XX”表示相应表面的光束信息。
       
       数据可以用不同方式显示。 我们主要使用伪彩图(False Color)来显示光束的辐照度(Irradiance)信息和相位(Phase)信息。此外我们还可以使用截面图,对数坐标,变倍显示等功能。

    file:///C:/Users/dp/AppData/Local/Packages/oice_16_974fa576_32c1d314_c17/AC/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.jpg

    图片14:光束查看器可以显示任意表面上,光束的辐照度分布和相位。
        在后续的文章中:“使用物理光学传播,第二部分:检查光束的强度”中,我们将使用光束查看器针查看示例系统中光束的辐照度分布特征。

    结论

    ·每次物理光学传播分析的设置过程和结果必须全面检查,包括每个表面,每个系统,每一次物理光学传播分析运行!
    ·特征报告(Prop Report)选项将列出计算期间产生的警告。   
             
    ·在物理光学传播运行时,光束在每一个表面的信息都需要被保存下来。
                
    ·光束查看器可用于检查系统中每个表面的光束信息。

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    想请教一下,关于设置束腰半径,6.358mm,为什么输入的时候写的是0.006358?
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    发表于 2018-6-4 15:43 | 显示全部楼层
    mirenying 发表于 2018-5-28 14:24
    想请教一下,关于设置束腰半径,6.358mm,为什么输入的时候写的是0.006358?

    Zemax中关于POP设置里的束腰定义采用透镜单位,默认设置为mm。这里文中本来想表达的是NA0.05的高斯光其束腰为6.4μm。单位书写错误,目前已更正。进一步论证可以根据公式w0=λ/πtanθ。文中系统光波长为1μm。代入计算后得到束腰为6.36μm。与原文数据相符。
    另外需要注意的是。这里的参数为束腰而非束腰半径。



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    发表于 2020-3-26 11:32 | 显示全部楼层
    你好,我想问一下你这束腰计算公式与w0 = 2λ/πθ有啥不同,计算的结果不一样,求解答
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