Zemax光纤输出光斑整形光源的选择问题（非序列模式）018

自学案例汇编 018：光纤输出光斑整形光源的选择问题（非序列模式） 前面，我们已经用序列模式（实际是混合模式）描述过光纤输出光斑整形的例子，为何又要在非序列模式中再次描述呢？因为笔者在应用中发现，混合模式在某些情况下仿真的效果不佳。下面举例来说明这个问题。 随便举个例子，如图18几个波长或者少几个波长都没关系），光纤作为非序列元件插入到序列模式中，纤输出后经消色差透镜准直，再经过一个柱面镜和一个消色差透镜聚焦成为一个椭圆形光斑。然后打开点列图，查看光斑形状。如图18光线数目设置为不同的条件下，光斑形状、几何尺寸会有较大差异。有时候就会怀疑，光线数目到底多少是合适的，是否光线数目越多越准确呢？不过，光线数目太多的话，会影响显示效果，刷新图像时间比较长（切换一下窗口就会刷新），内存小的话就比较讨厌了。甚至有时候光线数目差异不大（奇数或偶数差异），但也会导致显示效果差异明显。于是，我们来看看完全在非序列模式下，仿真效果又会怎样。 图18光学组件列表（参数较多分段显示） 者 出品 自学案例汇编 图18点列图离焦列表（光线数目7） 图18点列图离焦列表（光线数目79） 者 出品 自学案例汇编 图18合序列模式） 为了减少麻烦，用不着重新在非序列模式中编辑所有组件；我们可以将上述例子直接转换到非序列模式下。步骤为，主菜单弹出的对话框中，选择要转换的序列范围，比如，这里是从到3，同时注意勾选to 定后即可转换为非序列模式，透镜元件都在。不过，你会发现，原来已有的非序列组件不能转换过来，自动消失了。不过没关系，重新编辑缺失的组件即可。如图18加一个圆柱体（光纤）组件，再添加若干个探测器（方便自己观察的位置即可）。 图18非序列光学组件列表 接下来，我们来重点说一说光源的选择问题。因为光源的选择会明显影响仿真的实际效果。 这里，我们需要一个发散型的光源，发散角基本要和光纤的数值孔径相同，光源放在光纤前端入射端。非序列光源组件有多种类型可选，包括椭圆形光源导体光源些可设置发散角的光源是否都满足要求呢，我们要看者 出品 自学案例汇编 看这些光源通过光纤组件之后输出一段距离光线的分布情况和聚焦的情况。 我们首先选择椭圆形光源在光纤输入端。表面上看，椭圆形光源以分别设置两个半轴长度，但实际也是无穷远点光源。要设置光源的发散角，则需要改变发光源的位置，从无穷远改为有限距离。 图18椭圆光源参数设置 如图18型置Z 图光线数目析光线数目轴长度（相当于光阑）X 于光纤半径），光源距离他参数默认即可。如此设置，光源距离和光阑尺寸的配合，后在光纤输出端、测输出光线分布情况，探测器像素500，尺寸要比预测光斑尺寸略大一些（一般2倍即可）。 设置完毕，打开3图18见与图18了绘图光线均匀性的区别，非序列模式中绘图光线为随机分布方式，而序列模式中绘图光线为均匀分布方式。 将图像局部放大，观察光纤输入端和输出端，注意光线是否有溢出或者发散角与设想的是否一致等等，分别如图18为，笔者实测发现一个问题，减小光纤直径，到一定程度之后，就会影响输出端的光线数值孔径，似乎一部分发散角大的光线被消去了，输出的光线数值孔径变小了。但是，这时如果将光纤长度缩短到一定程度后，输出光线的数值孔径又能恢复正常。这个问题具体是由什么原理、原因造成的，目前还不知道。也就是说，用这个圆柱体要注意直径则丢失信息，读者注意。 者 出品 自学案例汇编 图18序列模式） 图18序列模式） 者 出品 自学案例汇编 图18序列模式） 接着，打开探测器观察窗口，再打开光线追迹控制器，追迹所有探测器光线。这里，我们放置了两个探测器，分别在光线输出端口和光线聚焦位置。先看光纤输出端的光线分布，如图18纤输出端附近的光斑形状及光线密度分布情况，从图上看，分布不是很均匀，但大体还是可以看出光斑整体轮廓效果；再切换到非相干模式下，如图18们看到这时光线分布严重不均匀，甚至光斑轮廓都看不到了，这显然已经和实际经验相去甚远了。 者 出品 自学案例汇编 图18测器光线分析干模式） 图18测器光线分析相干模式） 图18测器光线分析干模式） 者 出品 自学案例汇编 图18测器光线分析相干模式） 再看另外一个探测器，光线经过透镜光学系统整形聚焦后的光斑形状和光线分布情况，相干模式和非相干模式分别如图18样，相干模式虽然分布也不均匀，但基本还能看出光斑轮廓为以椭圆光斑；而非相干模式下，光线分别很不均匀，看上去光斑形状也不是椭圆形，而是一个变形了的菱形。于是，笔者怀疑光源的选择和设置可能不太合理。可能是由于光源本质还是一个点光源，即使通过光纤（圆柱体）后光线也没能有效匀化所致。 那么，换一个光源类型，比如半导体光源图18源类型选择置Z 图光线数目析光线数目散角配光纤数值孔径），其他参数默认即可。如此设置，后同样在光纤输出端、测输出光线分布情况，探测器像素500，尺寸要比预测光斑尺寸略大一些（一般2倍即可）。 更新3大观察光纤入射端和输出端的光线情况，分别如图18见都还比较正常，没有溢出光线，输出发散角也比较合理。 者 出品 自学案例汇编 图18半导体光源参数设置 图18图18者 出品 自学案例汇编 图18测器光线分析干模式） 图18测器光线分析相干模式） 者 出品 自学案例汇编 图18测器光线分析干模式） 图18测器光线分析相干模式） 清空所有探测器，再重新追迹所有探测器光线。光纤输出端附近光线分布的相干模式和非相干模式分别如图18线通过透镜光学系统整形聚焦后的光线分布者 出品 自学案例汇编 的相干模式和非相干模式分别如图18以看到，这与之前使用乎有一些改善，但是还是有明显的分布不均匀现象，尤其是在非相干模式下。 从局部放大的3射光源实际还是类似于一个点光源，那么如果是一个面光源是否会更好一些？注意一下有一些选项没有用到。 图18半导体光源参数设置 如图18以利用的参数还包括X、源宽度X、源分布高斯宽度X、当于束腰）都设为2，以及X、x、里，笔者也有些糊涂，有两个超高斯因子参数（通常来说，其值越大越接近平顶分布），仔细看了看帮助文档还是没看懂，似乎是与散光它的值不为0时，只能使用前两个超高斯因子参数，反之只能用后面的两个。只能在过程中修改对比，来设定合适需要的值。 按照上述设置完毕，再更新3放大局部观察光纤前端和输出端的光线情况，分别如图18以看到，输出端没有很明显的变化，但入射端的光源已经不再是点光源，看上去是一个面光源。至于是否与前述椭圆光源要看后续光线追迹的探测器分布情况。 者 出品 自学案例汇编 图1818者 出品 自学案例汇编 图18测器光线分析干模式） 图18测器光线分析相干模式） 者 出品 自学案例汇编 图18测器光线分析干模式） 图18测器光线分析相干模式） 清空所有探测器，再重新追迹所有探测器光线。得到光纤输出端附近的光斑形状光线分布的相干模式和非相干模式分析图分别如图18以看出，相干模式和者 出品 自学案例汇编 非相干模式下光斑尺寸和光线分布的差异已经小了很多，而且均匀性也好了很多，接近实际经验效果。而光线通过透镜光学系统后聚焦附近的光斑形状光线分布的相干模式和非相干模式分析图分别如图18样可以看出，相干模式和非相干模式下光斑尺寸和光线分布的差异已经小了很多，而且均匀性也好了很多，接近实际经验效果。 如果，你和笔者一样，也搞不太明白么还可以使用自定义动态链接库类型的光源目录图18样放在光纤入射端，参数光纤略小）；A、B、为常数项、为四次项，作为均匀分布的话，B、E、图18光纤光源参数设置 图18者 出品 自学案例汇编 图1818测器光线分析干模式） 者 出品 自学案例汇编 图18测器光线分析相干模式） 图18测器光线分析干模式） 者 出品 自学案例汇编 图18测器光线分析相干模式） 设置完毕，然后重复前面的工作，更新3看光纤前后端光线分别情况，分别如图18空所有探测器，重新追迹所有探测器，得到光纤输出端附近和聚焦光斑附近光线追迹分析图，如图18光线追迹分析图来看，和半导体光源18不多，甚至均匀性还更好一些。 另外，就是说可以去掉例子中的光纤模型不过为了更进一步体现实际情况才将其保留。读者可以自己测试不用光纤模型再赘述。 唯一遗憾的是，聚焦后的光斑分析，相干模式和非相干模式的效果看上去差异还是比较明显，即便我们已经在系统参数中设置了多波长，但似乎没有什么作用。目前，笔者还不太清楚如何解释或消除这种差异。那么，实际效果仿真是用相干模式还是非相干模式，得读者自己斟酌了。 除此以外，根据这里的需求特性，还可以使用另外一种光源辐射光源据帮助手册说明，辐射光源是一个平面，矩形或椭圆形，它发射光线进入一个半球。光线在这个半球的分布是关于局部过任意强度和角度数据的立方样条拟合来定义。点的数目包含5到181之间的任意整数。角度范围在指定的点数内被等分。者 出品 自学案例汇编 每一点的数据是在光源远场中与那个点相对应的角度测出的相对强度。提供的数据与立方样条吻合。从样条拟合发出的光线将会跟随远场光源正确的分布。（是不是有点看不明白？） 辐射光源的好处是，可以自定义光线的角度分布密度，适合那种即不是均匀角分布也不是高斯分布的类型，举个例子，比如典型的图18然，不同的产品其角度分布密度曲线是不同的，有的大有的小，应用场合不同。 图18者 出品 自学案例汇编 图1818光源类型改为置Z 意），绘图光线数目为200，分析光线数目光面尺寸X 源发光角度的最小值大值合点数# 后会有10个参数数据需要输入，即每个拟合点的相对值。假设0度点的相对强度I（为者 出品 自学案例汇编 0度点的相对强度I（0度点的相对强度I（0度点的相对强度I（0度点的相对强度I（0度点的相对强度I（0度点的相对强度I（0度点的相对强度I（0度点的相对强度I（0度点的相对强度I（他参数默认，察光斑强度分布。从3图18如果将最大发光角度限制为60度，拟合点数仍然为10个点，且每个点的相对强度不改变，即假设0度点的相对强度I（度点的相对强度I（）3度点的相对强度I（0度点的相对强度I（6度点的相对强度I（3度点的相对强度I（0度点的相对强度I（6度点的相对强度I（3度点的相对强度I（0度点的相对强度I（他参数默认，从3图18察光斑强度分布。上述两种情况下的光斑强度分析图分别如图18见发散角不同，能量集中度也就不同。从探测器所接收到的总功率，也能看出发散角的影响和区别。 者 出品 自学案例汇编 图1818在我们可以用在光纤入射端。主要参数设置为，位置Z 图光线数目为200，分析光线数目光面尺寸X 源发光角度的最小值大值合点数# 后会有5个参数数据需要输入，即每个拟合点的相对值。假设为均匀分布，即0度点的相对强度I（度点的相对强度I（度点的相对强度I（度点的相对强度I（2度点的相对强度I（他参数默认。从3别如图18再重新追迹所有探测器光线，与前面的步骤相同，检查每个探测器分析光线的情况。结果如图18结果来看，光源类型是可以独立使用的面光源类型，但并不能直接用作模拟光纤端面的光源，在形状上有所区别。 需要说明的是，辐射光源图18为他可以分别设置两个轴的半宽；而者 出品