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    [原創(chuàng)]SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件課程三十:理解高斯光束 [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2018-09-20
    — 本帖被 cyqdesign 從 光學(xué)理論,設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)化 移動(dòng)到本區(qū)(2018-12-29) —

    背景:

    激光器通常產(chǎn)生直徑非常小的光束,經(jīng)常用作各種光學(xué)系統(tǒng)光源。 這種光束的強(qiáng)度是不均勻的,在理想情況下遵循高斯分布,因此而命名為高斯光束,且在大多數(shù)實(shí)際情況下以特有的方式偏離該分布。 在設(shè)計(jì)和分析具有這種分布的系統(tǒng)時(shí),必須考慮兩個(gè)問題:輪廓的形狀以及直徑非常小的光束在傳播時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)烈衍射效應(yīng)。

    SYNOPSYS中的高斯光束

    作為一個(gè)適應(yīng)性強(qiáng)的光學(xué)程序,,目標(biāo)是在盡可能在不那么復(fù)雜的情況下獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。 因此,該程序以新穎獨(dú)特的方式分析這種光束的特殊性質(zhì)。

    主要問題是,如果光束直徑很小,衍射作用貫穿了整個(gè)光束的傳輸。 另一方面,光線穿過普通透鏡,光束直徑遠(yuǎn)大于光的波長,沿著直線進(jìn)行非常好的近似,然后我們可以處理為光線了。高斯光束很難傳播一段距離后還保持光束直徑很小。 光線的路徑(波前)是彎曲的,在光線追跡中需要特別注意。

    考慮以下系統(tǒng):

        RLE

        ID OBG DEMO

        OBG .15 2

        UNI MM

        WA1 .6328

        1    TH 50

        2    RD -2.55 TH 2 GTB S

        BK7

        2    CAO 2

        3    CAO 2

        3    RD -55 TH 100

        4    RD 100 TH 2 PIN 2

        5    TH 50 UMC

        4    CAO 10

        5    CAO 10

        7

        AFOC

        END

    按照高斯光束的規(guī)則,物面被聲明為“OBG”類型,腰在表面1,半徑為0.15毫米。根據(jù)OBG線上的第三個(gè)詞,我們關(guān)心的是光線到達(dá)的點(diǎn)是1/e* 2的兩倍。上圖所示的邊緣光線來自于光束的那個(gè)點(diǎn)。在這個(gè)例子中,我們還包括了兩個(gè)簡單的透鏡,用來擴(kuò)束和準(zhǔn)直光束。

    如果我們把表面1的波束精確準(zhǔn)直,那么表面2上的光束大小等于于表面1的光束大小。但這是不正確的,因?yàn)檠苌鋾?huì)在光束到達(dá)表面的時(shí)候放大光束。為了解釋這種影響,程序認(rèn)為腰部的光束稍微彎曲,剛好使從表面1追跡到的真實(shí)光線與衍射的高斯光束以相同的角度接觸到表面2。從這點(diǎn)出發(fā),我們可以用通常的光線追跡方法來處理衍射光束,前提是此處衍射是由最小孔徑引起的。

    尋找一個(gè)光束追跡,它根據(jù)近軸高斯光束理論對(duì)光束的任意位置進(jìn)行評(píng)估。

        SYNOPSYS AI>BEAM

         ID OBG DEMO                              33262            13-MAY-13   14:16:08

         GAUSSIAN BEAM ANALYSIS

         SURF    BEAM RADIUS  WAIST LOCATION    WAIST RADIUS      DIVERGENCE

         ___________________________________________________________________

        1    0.150000 -7.5157030E-15       0.150000       0.001343

        2    0.164341      -7.368983       0.005965       0.022287

        3    0.208892      -6.563589       0.006332       0.031811

        4    3.389933    -357.899054       0.014036       0.009472

        5    3.408876   -2087.561971       3.406641  5.9127598E-05

        6    3.408985   -2137.561971       3.406641  5.9127598E-05

        7    3.408985   -2137.561971       3.406641  5.9127598E-05

        SYNOPSYS AI>

    注意,由于衍射,表面2上的光束半徑大于表面1上的光束半徑。 現(xiàn)在在光瞳點(diǎn)(0,.5)處追跡真實(shí)光線,該點(diǎn)位于1 / e ** 2點(diǎn)。

         SYNOPSYS AI>RAY P 0 0 .5 SURF

         INDIVIDUAL RAYTRACE ANALYSIS

         FRACT. OBJECT HEIGHT               HBAR      0.000000   GBAR      0.000000

         FRACT. ENTRANCE PUPIL COORD.        YEN      0.500000    XEN      0.000000

         COLOR NUMBER                          1

                                   RAY VECTORS         (X DIR TAN)  (Y DIR TAN)  (INC. ANG.)

         SURF             X            Y            Z           ZZ           HH          UNI

         ___________________________________________________________________________________

          OBJ       0.000000     0.000000     0.000000     0.000000     0.000549

        1    0.000000     0.136910     0.000000     0.000000     0.000549     0.031434

        2    0.000000     0.164338    -0.005301     0.000000     0.022307     3.663636

        3    0.000000     0.209062    -0.000397     0.000000     0.031846     1.060103

        4    0.000000     3.395560     0.057666     0.000000     0.009449     3.769940

        5    0.000000     3.413463    -0.047616     0.000000-5.576629E-05     1.057009

        6       0.000000     3.410672     0.000000     0.000000-5.576629E-05

            0.003195

                  REDUCED RAY ANGLES IN RADIANS AT IMAGE SURFACE

                    PSI (X)       PHI (Y)              Z

        0.000000 -5.576629E-05      0.000000

            SYNOPSYS AI>

    該真實(shí)光線的路徑非常接近BEAM追跡。 我們現(xiàn)在有一個(gè)工具,只要光束在系統(tǒng)的早期擴(kuò)展,就可以讓您使用真實(shí)光線分析和優(yōu)化這樣的系統(tǒng)。(因此衍射在此后幾乎沒有影響),這種實(shí)際光線應(yīng)用粗略估計(jì)是有用的并且易于設(shè)置。

    復(fù)雜

    但有時(shí)會(huì)非常復(fù)雜。 例如,假設(shè)腰部有一個(gè)元件。 如果厚度編號(hào)1為零,或者如果該表面不是虛擬的,則程序無法進(jìn)行上述調(diào)整。相反,調(diào)整幾何體,以便它可以追跡OBA物面(有限物距)

        TH0 = 1.0E14

        YP0 = TH0 * DIV

        YMP1 = WAIST * RBS

        YP1 = 0.0

    因此,物體在無窮遠(yuǎn)處入瞳半徑是輸入OBG束腰半徑的函數(shù)。在這種情況下,程序仍然可以進(jìn)行光束分析,但是衍射并沒有像以前那樣考慮真實(shí)光線。然而,如果第一個(gè)元件擴(kuò)展了光束,那么衍射就起不到什么作用,這仍然是一個(gè)有用的方法。

    但是,如果光束在傳輸中有一個(gè)或多個(gè)表面或元件孔徑非常小,該怎么辦? 假設(shè)一個(gè)擴(kuò)束器位于束腰一米處,并且沿途有幾個(gè)反射鏡。 首先描述的技巧僅在表面1和2之間進(jìn)行操作,請(qǐng)記住,在這種情況下,其他表面之間的衍射將被忽略但在此情況下不會(huì)被忽略。還有另外一個(gè)技巧,而且非常簡單。

    你所做的是將一米的厚度分配給表面1(或者擴(kuò)展器之前的任何距離),在該距離處放置一個(gè)虛擬表面2,然后指定一個(gè)減去一米的厚度(或者需要的任何東西) 第一個(gè)反射鏡或鏡子到表面2.現(xiàn)在程序可以調(diào)整束腰的光束屬性,以便在虛擬表面2處考慮衍射。如果追跡真實(shí)光線,它將在同一個(gè)地方到達(dá)表面2 正如高斯光束那樣,你可以根據(jù)第一條規(guī)則從那里折射。

    光束輪廓

    讓我們看一下高斯光束。 輸入以下AI句子:

        PLOT TRANS FOR YEN = -1 TO 1

    這顯示了其中完美高斯形狀。 還有其他方法可以看到形狀。 在第11課中,我們將展示如何編寫一個(gè)宏來通過COMPOSITE像差格式繪制輪廓,第12課展示如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的系統(tǒng)來擴(kuò)束并同時(shí)產(chǎn)生均勻的強(qiáng)度。 我們展示了衍射傳播程序DPROP如何分析改進(jìn)的能量分布,給出了另一種分析這種光束的方法。

    對(duì)圖像的影響

    為了完成本課程,我們輸出衍射圖案。 由于光束是高斯光束,因此遠(yuǎn)視場圖像的形狀也是高斯的。 轉(zhuǎn)到MDI對(duì)話框,輸出PSPRD圖。

    實(shí)際上,我們看到根本沒有衍射環(huán)! 這是高斯光束的特性。 衍射主要發(fā)生在光束的邊緣,如果該邊緣非常模糊,則下降到比中心低得多的值,則邊緣處的衍射不起作用。

    要了解有關(guān)高斯光束,包括非圓光束和光束質(zhì)量的影響,請(qǐng)?jiān)诿畲翱谥墟I入HELP OBG。

    [ 此帖被optics1210在2019-01-24 11:00重新編輯 ]
     
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