如何使用物理光學(xué)傳播（POP）工具描述空間電場(chǎng)傳播（一）

概要

本系列文章將介紹如何使物理光學(xué)傳播（POP）工具計(jì)算電場(chǎng)在自由空間中傳播的狀況。本文主要討論了范例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并介紹如何使用光束查看器（Beam File Viewer）。

OpticStudio中有的許多工具往往運(yùn)用起來(lái)非常便捷，只要點(diǎn)擊按鈕，對(duì)應(yīng)結(jié)果就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出來(lái)。但是物理光學(xué)傳播工具（Physical Optics Propagation，以下簡(jiǎn)稱POP）不是那么簡(jiǎn)單的。POP利用標(biāo)量衍射理論計(jì)算自由空間的傳播電場(chǎng)，需要使用者給出正確的設(shè)置才會(huì)有正確的計(jì)算結(jié)果。

造成POP設(shè)置較為復(fù)雜的原因主要和Fresnel傳播特性有關(guān)，而這一特性又和快速傅立葉轉(zhuǎn)換（Fast Fourier Transform，簡(jiǎn)稱FFT）有關(guān)；除此以外，如果要給出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，還需平衡好光束采樣率和采樣區(qū)域大小的關(guān)系。因此，每一次使用POP 時(shí)，使用者都必須仔細(xì)的檢查參數(shù)的設(shè)置。

這一系列的文章一共有三篇，本文為第一篇。三篇文章中，我們只舉一個(gè)例子說(shuō)明如何正確的使用POP。 三篇文章的內(nèi)容安排如下：

第一篇：討論范例系統(tǒng)，介紹如何使用光束查看器（Beam File Viewer）。

第二篇：介紹如何查看光束強(qiáng)度以及與強(qiáng)度有關(guān)的問(wèn)題。

第三篇：介紹如何查看光束相位以及與相位上有關(guān)的問(wèn)題

本文我們不會(huì)過(guò)多的討論空間傳播理論和POP算法細(xì)節(jié)。因此，在閱讀這一系列文章之前，請(qǐng)先閱讀OpticStudio提供的資料（幫助手冊(cè)）中有關(guān)物理光學(xué)傳播的內(nèi)容。

如下圖所示，可以在Help菜單欄中找到"Help System"按鈕，直接搜索“POP”，或者從目錄中選擇“The Analyze Tab \ Laser and Fibers Group \ About Physical Optics Propagation”。

本文范例

本文的范例結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示：該系統(tǒng)由兩片非球面單透鏡構(gòu)成。第一片透鏡準(zhǔn)直光束，第二片透鏡聚焦光束。其中：兩片透鏡都使用了r4非球面系數(shù)來(lái)校正球差。

注意：在光束準(zhǔn)直區(qū)域中有一個(gè)遮光的元件，設(shè)置系統(tǒng)波長(zhǎng)為1mm。

假設(shè)系統(tǒng)光源為光纖提供的高斯光束。

設(shè)置系統(tǒng)Aperture Type為Object Space NA，Aperture Value為0.05。由以下公式可以計(jì)算出該光束的光束散角2.9°、光腰半徑為6.4 mm。

注意：系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)值孔徑只對(duì)幾何光線追跡有效，物理光學(xué)傳播分析不使用系統(tǒng)設(shè)置的物方數(shù)值孔徑。但是對(duì)于本文的范例結(jié)構(gòu)，追跡的光線在遠(yuǎn)離光束束腰位置時(shí)可以很好地描述高斯光束。因此，只要不在焦點(diǎn)附近，我們都可以使用點(diǎn)列圖和其他光線追跡分析工具檢查POP的計(jì)算結(jié)果。

初步的POP 結(jié)果

在Analyze菜單欄中找到并點(diǎn)擊POP的按鈕（Physical Optics）。

如下圖所示打開(kāi)POP模擬相關(guān)的設(shè)定。再次強(qiáng)調(diào)：POP分析不會(huì)讀取你在System Explorer中設(shè)定的Object NA。NA必須在POP里面手動(dòng)設(shè)置。請(qǐng)按照下圖進(jìn)行設(shè)置。

在“Beam Definition”中，我們需要設(shè)置一個(gè)NA是0.05的入射光線（對(duì)應(yīng)的束腰半徑為6.4 mm）。再設(shè)置一個(gè)1024 x 1024的采樣網(wǎng)格，X和Y方向的網(wǎng)格寬度為0.1mm。

在Display菜單內(nèi)，勾選“Save Output Beam To:”以及“Save Beam At All Surfaces”。勾選后針對(duì)每個(gè)表面系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建和保存一個(gè).ZBL文件，文件里包含了每個(gè)表面的電場(chǎng)信息。

執(zhí)行POP，可以得到POP的計(jì)算結(jié)果，如下圖所示：

POP計(jì)算的輸出結(jié)果

其實(shí)，從POP計(jì)算輸出的照度分布圖來(lái)看并沒(méi)有什么問(wèn)題，輸出光斑沒(méi)有出現(xiàn)異樣，感覺(jué)上采樣率應(yīng)該是足夠的。但是，點(diǎn)擊“Prop Report”可以看到軟件提示第二個(gè)面出現(xiàn)警告“Low Sampling of pilot beam”，說(shuō)明第二個(gè)面采樣率不夠。

因?yàn)镻OP計(jì)算的復(fù)雜性，我們必須逐面的檢查整體光束的參數(shù)，以確保整個(gè)傳播過(guò)程中的計(jì)算都是正確的。

Prop Report欄里的信息顯示計(jì)算很可能是有問(wèn)題的

檢查光束文件

為了解決計(jì)算中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們需要查看每個(gè)表面保存的文件。打開(kāi)光束查看器（Beam File Viewer）

如下圖所示，在Beam File Viewer的設(shè)置菜單欄的“File”欄中可以看到我們之前計(jì)算保存的所有.ZBF文件。

每個(gè)文件最后都有“00XX”表示該文件保存的哪個(gè)表面。沒(méi)有“00XX”的表示像面，其結(jié)果與POP窗口顯示結(jié)果一樣。

Beam File Viewer設(shè)置中的” File”欄

結(jié)論

每次執(zhí)行POP，都要詳細(xì)確認(rèn)所有設(shè)置是否正確，執(zhí)行結(jié)束后也要逐面檢查整個(gè)系統(tǒng)傳播過(guò)程是否沒(méi)問(wèn)題。

要檢查Prop Report欄是否有顯示計(jì)算錯(cuò)誤。

執(zhí)行POP時(shí)，每一個(gè)面上的光束文件（beam file）是否都存儲(chǔ)下來(lái)，文件格式為.ZBF。

通過(guò)Beam File Viewer，可以檢視系統(tǒng)中每個(gè)面上的光束文件。

下一篇文章(第二篇)中，我們將介紹使用Beam File Viewer來(lái)檢視這個(gè)范例的系統(tǒng)。