如何使用物理光学传播（POP）工具描述空间电场传播（一）

概要

本系列文章将介绍如何使物理光学传播（POP）工具计算电场在自由空间中传播的状况。本文主要讨论了范例的系统结构并介绍如何使用光束查看器（Beam File Viewer）。

OpticStudio中有的许多工具往往运用起来非常便捷，只要点击按钮，对应结果就会自动计算出来。但是物理光学传播工具（Physical Optics Propagation，以下简称POP）不是那么简单的。POP利用标量衍射理论计算自由空间的传播电场，需要使用者给出正确的设置才会有正确的计算结果。

造成POP设置较为复杂的原因主要和Fresnel传播特性有关，而这一特性又和快速傅立叶转换（Fast Fourier Transform，简称FFT）有关；除此以外，如果要给出准确的计算结果，还需平衡好光束采样率和采样区域大小的关系。因此，每一次使用POP 时，使用者都必须仔细的检查参数的设置。

这一系列的文章一共有三篇，本文为第一篇。三篇文章中，我们只举一个例子说明如何正确的使用POP。 三篇文章的内容安排如下：

本文我们不会过多的讨论空间传播理论和POP算法细节。因此，在阅读这一系列文章之前，请先阅读OpticStudio提供的资料（帮助手册）中有关物理光学传播的内容。

如下图所示，可以在Help菜单栏中找到"Help System"按钮，直接搜索“POP”，或者从目录中选择“The Analyze Tab \ Laser and Fibers Group \ About Physical Optics Propagation”。

本文范例

本文的范例结构如图1和图2所示：该系统由两片非球面单透镜构成。第一片透镜准直光束，第二片透镜聚焦光束。其中：两片透镜都使用了r4非球面系数来校正球差。

注意：在光束准直区域中有一个遮光的元件，设置系统波长为1mm。

假设系统光源为光纤提供的高斯光束。

设置系统Aperture Type为Object Space NA，Aperture Value为0.05。由以下公式可以计算出该光束的光束散角2.9°、光腰半径为6.4 mm。

注意：系统设置的数值孔径只对几何光线追迹有效，物理光学传播分析不使用系统设置的物方数值孔径。但是对于本文的范例结构，追迹的光线在远离光束束腰位置时可以很好地描述高斯光束。因此，只要不在焦点附近，我们都可以使用点列图和其他光线追迹分析工具检查POP的计算结果。

初步的POP 结果

在Analyze菜单栏中找到并点击POP的按钮（Physical Optics）。

如下图所示打开POP模拟相关的设定。再次强调：POP分析不会读取你在System Explorer中设定的Object NA。NA必须在POP里面手动设置。请按照下图进行设置。

在“Beam Definition”中，我们需要设置一个NA是0.05的入射光线（对应的束腰半径为6.4 mm）。再设置一个1024 x 1024的采样网格，X和Y方向的网格宽度为0.1mm。

在Display菜单内，勾选“Save Output Beam To:”以及“Save Beam At All Surfaces”。勾选后针对每个表面系统会自动创建和保存一个.ZBL文件，文件里包含了每个表面的电场信息。

执行POP，可以得到POP的计算结果，如下图所示：

POP计算的输出结果

其实，从POP计算输出的照度分布图来看并没有什么问题，输出光斑没有出现异样，感觉上采样率应该是足够的。但是，点击“Prop Report”可以看到软件提示第二个面出现警告“Low Sampling of pilot beam”，说明第二个面采样率不够。

因为POP计算的复杂性，我们必须逐面的检查整体光束的参数，以确保整个传播过程中的计算都是正确的。

Prop Report栏里的信息显示计算很可能是有问题的

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。打开光束查看器（Beam File Viewer）

如下图所示，在Beam File Viewer的设置菜单栏的“File”栏中可以看到我们之前计算保存的所有.ZBF文件。

每个文件最后都有“00XX”表示该文件保存的哪个表面。没有“00XX”的表示像面，其结果与POP窗口显示结果一样。

Beam File Viewer设置中的” File”栏

结论

下一篇文章(第二篇)中，我们将介绍使用Beam File Viewer来检视这个范例的系统。