如何使用物理光學(xué)傳播(POP)工具描述空間電場傳播(一)

概要


本系列文章將介紹如何使物理光學(xué)傳播(POP)工具計算電場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)。

Zemax OpticStudio中有的許多工具往往運用起來非常便捷,只要點擊按鈕,對應(yīng)結(jié)果就會自動計算出來。但是物理光學(xué)傳播工具(Physical Optics Propagation,以下簡稱POP)不是那么簡單的。POP利用標量衍射理論計算自由空間的傳播電場,需要使用者給出正確的設(shè)置才會有正確的計算結(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,簡稱FFT)有關(guān);除此以外,如果要給出準確的計算結(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,使用者都必須仔細的檢查參數(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,我們只舉一個例子說明如何正確的使用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度以及與強度有關(guān)的問題。

第三篇:介紹如何查看光束相位以及與相位上有關(guān)的問題

本文我們不會過多的討論空間傳播理論和POP算法細節(jié)。因此,在閱讀這一系列文章之前,請先閱讀OpticStudio提供的資料(幫助手冊)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)來校正球差。

注意:在光束準直區(qū)域中有一個遮光的元件,設(shè)置系統(tǒng)波長為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。但是對于本文的范例結(jié)構(gòu),追跡的光線在遠離光束束腰位置時可以很好地描述高斯光束。因此,只要不在焦點附近,我們都可以使用點列圖和其他光線追跡分析工具檢查POP的計算結(jié)果。


初步的POP 結(jié)果

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

點一下“Physical Optics”按鈕以開啟POP分析工具

如下圖所示打開POP模擬相關(guān)的設(shè)定。再次強調(diào):POP分析不會讀取你在System Explorer中設(shè)定的Object NA。NA必須在POP里面手動設(shè)置。請按照下圖進行設(shè)置。

在“Beam Definition”中,我們需要設(shè)置一個NA是0.05的入射光線(對應(yīng)的束腰半徑為6.4 mm)。再設(shè)置一個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”。勾選后針對每個表面系統(tǒng)會自動創(chuàng)建和保存一個.ZBL文件,文件里包含了每個表面的電場信息。

執(zhí)行POP,可以得到POP的計算結(jié)果,如下圖所示:

POP計算的輸出結(jié)果

其實,從POP計算輸出的照度分布圖來看并沒有什么問題,輸出光斑沒有出現(xiàn)異樣,感覺上采樣率應(yīng)該是足夠的。但是,點擊“Prop Report”可以看到軟件提示第二個面出現(xiàn)警告“Low Sampling of pilot beam”,說明第二個面采樣率不夠。

因為POP計算的復(fù)雜性,我們必須逐面的檢查整體光束的參數(shù),以確保整個傳播過程中的計算都是正確的。

Prop Report欄里的信息顯示計算很可能是有問題的


檢查光束文件

為了解決計算中出現(xiàn)的問題,我們需要查看每個表面保存的文件。打開光束查看器(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算保存的所有.ZBF文件。

每個文件最后都有“00XX”表示該文件保存的哪個表面。沒有“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


總結(jié)

每次執(zhí)行POP,都要詳細確認所有設(shè)置是否正確,執(zhí)行結(jié)束后也要逐面檢查整個系統(tǒng)傳播過程是否沒問題。

要檢查Prop Report欄是否有顯示計算錯誤。

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

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