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本文是系列文章的第一部分，介紹了OpticStudio中的物理光學(xué)傳播（POP）工具，該工具能夠在自由空間中模擬電場的傳播。文中還引入了Beam File Viewer功能，它可用于檢查每個表面上光束的相位和強度。

介紹

物理光學(xué)傳播 （POP） 工具是 OpticStudio 中唯一需要動手指導(dǎo)才能獲得正確結(jié)果的工具之一。原因在于它采用標(biāo)量衍射理論在空間中模擬電場的傳播，從而對菲涅耳傳播過程非常敏感。這個過程必須在實現(xiàn)高光束分辨率與捕獲所有空間頻率的寬網(wǎng)格寬度之間取得平衡。因此，用戶每次都必須徹底檢查 POP 運行的設(shè)置和結(jié)果。

本系列將介紹使用 POP 設(shè)置和評估簡單系統(tǒng)的正確方法。在本文中，我們將討論示例系統(tǒng)并研究評估 POP 結(jié)果的方法。本系列將介紹使用 POP 設(shè)置和評估簡單系統(tǒng)的正確方法。在本文中，我們將討論示例系統(tǒng)并研究評估 POP 結(jié)果的方法。

物理光學(xué)傳播幫助文件

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”。

示例鏡頭文件

本文的范例結(jié)構(gòu)如下圖所示：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)來校正球差。

注意：在光束的準(zhǔn)直部分有一個小的中央遮擋，系統(tǒng)的波長設(shè)置為 1 um。

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 μm。

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(yuǎn)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。

初始 POP 結(jié)果

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

要通過POP窗口左上角的向下箭頭來訪問POP設(shè)置。請注意，POP分析不會自動從System Explorer中獲取對象空間數(shù)值孔徑（NA）；您需要在POP中手動設(shè)置NA。System Explorer中的NA僅用于控制幾何光線跟蹤。

在“常規(guī)”（General）設(shè)置下，請確保您的設(shè)置與以下設(shè)置相匹配。

在“Beam Definition”部分，選擇“Beam Type”為“Gaussian Waist”，并設(shè)置束腰大小，使其對應(yīng)于輸入光束的數(shù)值孔徑（NA）0.05，即約6.36um（或0.00636 mm，作為X/Y腰圍的數(shù)值）。此外，我們將采樣網(wǎng)格的密度設(shè)置為1024x1024（即在X和Y方向上的采樣點均為1024），并將X和Y方向的寬度均設(shè)為0.1mm。

在 Display 菜單內(nèi)，勾選 Save Output Beam To： 和 Save Beam At All Surfaces。這些選項在包含電場信息的每個表面上創(chuàng)建一個 Zemax 光束 （.zbf） 文件。

運行POP后，圖像平面上會顯示光束的輻照度。觀察結(jié)果顯示，光束采樣良好，光束上分布著眾多像素，且輸出圖像中未出現(xiàn)鋸齒或其他異常偽影。然而，當(dāng)我們切換到“Prop Report”選項卡時，發(fā)現(xiàn)存在潛在問題，即在Surface 2上出現(xiàn)了“引導(dǎo)光束采樣率低”的警告。由于POP計算的復(fù)雜性，我們必須始終仔細(xì)檢查每個表面的光束信息，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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）

在Beam File Viewer窗口的“設(shè)置”（Settings）部分，有一個下拉列表用于選擇.zbf文件。這些文件均以“00XX”結(jié)尾保存，用以標(biāo)識它們所代表該文件對應(yīng)的表面編號。若文件名中未包含表面編號，則該文件代表圖像表面，與POP窗口中展示的結(jié)果相一致。

數(shù)據(jù)可以以多種形式進行展示。我們主要將利用“Data：Irradiance”和“Phase”信息，并通過“Show As：False Color”的方式呈現(xiàn)。此外，我們還會運用橫截面視圖、對數(shù)圖表以及縮放功能來輔助展示。

我們將在下一篇中使用光束文件查看器檢查示例系統(tǒng)的光束輻照度分布，請大家持續(xù)關(guān)注。