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如何使用物理光学传播(POP)工具描述空间电场传播(一)

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技术能量站

充电的时间到啦!快来看看本周技术文章吧!

本周的主题是:

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:

   

第一篇:讨论范例系统,介绍如何使用光束查看器(Beam File Viewer)。

   

第二篇:介绍如何查看光束强度以及与强度有关的问题。

   

第三篇:介绍如何查看光束相位以及与相位上有关的问题

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。

   
   

范例系统3D Layout图

和Lens Data图

假设系统光源为光纤提供的高斯光束。

设置系统Aperture TypeObject Space NAAperture 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)。

   


点一下“Physical Optics”按钮以开启POP分析工具

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。

   
   
   

POP中设置的选项卡

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

 
   

 每次执行POP,都要详细确认所有设置是否正确,执行结束后也要逐面检查整个系统传播过程是否没问题。

   

 要检查Prop Report栏是否有显示计算错误。

   

执行POP时,每一个面上的光束文件(beam file)是否都存储下来,文件格式为.ZBF。

   

 通过Beam File Viewer,可以检视系统中每个面上的光束文件。


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。


来源:武汉宇熠
System光学电场理论Fourier Transform
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2023-05-27
最近编辑:1年前
武汉宇熠
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