Zemax高斯光束物理光学传播分析014

自学案例汇编 014：高斯光束物理光学传播分析 高斯光束是激光光学中经常用到的特征光束，在这一节的实例中，我们来看看关于高斯光束的传播计算方法，最常用的就是阵光学。光学系统对高斯光束的变换用一个22 的矩阵进行描述，这里不再详细叙述阵光学的原理，读者请自行参考其他教材。有兴趣的读者可以看看笔者所著的另外一本书籍助激光光学分析与应用，其中有对阵光学进行比较详尽的叙述。 我们先建立一个简单光路结构，如图14示，输入面型数据，只有一个理想透镜，其他均为空气间隙。系统参数中，统波长设为1064此这般，其3D 光路结构如图14示，基本属于一个4F 系统。将空气间隙分为若干段，是为了方便后面查看高斯光束参数时分段定性。 图14础光路透镜数据辑器列表 者 出品 自学案例汇编 图14础光路3D 结构图 然后，点击主菜单开一个数据窗口。接着点击数据窗口的设置菜单，调出参数设置对话框。如图14示，设置相关参数，束腰尺寸（ 到束腰的位置设为0；在参数设置窗口中可单独查看每个面上的高斯光束的参数。点击到数据窗口，得到的数据列表如图14示。显示的参数含义如下： 当前表面上光束半径尺寸W(z)。 当前表面上光束所对应束腰的半径 当前表面上光束所对应束腰的位置，表面在束腰左边时为负（-），在右边为正（+）。 当前表面上光束的波前曲率半径。 当前表面上光束所对应的发散角。 当前表面上光束所对应的瑞利长度。 长度单位为度单位为弧度者 出品 自学案例汇编 图14轴高斯光束参数设置 图14轴高斯光束数据分析图 注意，输入束腰的位置只能相对 面为原点，而不是 面。这里，我们将束腰位置与 面的距离设为0，即初始束腰在 面上；如果初始束腰在 面的左边其值为负（-），在右边则为正（+），这与之后计算的表面与束腰的距离的数据符号规则是不同的，要特别留心。例如，如图14示，这里如果要将初始束腰放在上的话， 值应该输入后再看 上的光束参数，位置Z（ 数据符号正好相反。 者 出品 自学案例汇编 图14轴高斯光束参数设置与数据分析符号规则示意 再查看图14的Y 轴方向的数据，因为这里为旋转对称系统，X 轴方向的数据与看一个轴即可。注意查看 面的光束参数，因为理想薄透镜在这个面上，所以它是光束参数特征的分界点。对于面来说，光束半径W(z)在变换前后不会发生变化，但束腰位置、束腰半径、发散角以及波前曲率半径等是会发生变化的。也就是说，当前表面上所列出的光束参数数据，实际上是已经通过这个面的变换之后的光束参数数据了。所以，在透镜数据编辑器中，特意增加了一个空白标准面 来对比说明，读者请仔细查看。因此，为了更清楚地分析光束参数，可以在辑器中合理增加若干个表面来定位。 就本节中的例子来说，波长1064基模高斯光束且入射束腰在焦距为25想薄透镜的焦平面上时，经过理想薄透镜变换后的束腰位置基本也在另外一个焦平面上，束腰尺寸略有减小。遗憾的是，软件没能对光束半径的变换轨迹给出图像，缺少感官认知。 为了对比，笔者自己编写了一个计算高斯光束参数的软件，并对单薄透镜光束变换进行光束半径变换轨迹追迹。如图14示，对比两者计算的数据结果，基本完全一致。显然，高斯光束的传输变换，与几何光学是有区别的，只有在高斯光束的发散角很大或者很小的时候，两者才有近似结果，在设计激光光学系统的时候，要特别注意这个问题。读者也可以自行根据阵方法，计算高斯光束经过变换传输后的数据，验证出的数据是否一一对应。 者 出品 自学案例汇编 图14斯光束经过薄透镜的变换 另外，然没有给出光斑轮廓的轨迹，但是可以在指定位置给出光斑的强度分布图像。为此，我们还是以一个例子来说明，如图14示建立光学系统结构，系统参数设置与之前一致。该透镜组含有两个理想柱面镜和一个理想圆透镜。 图14透镜组变换辑器列表 图14透镜组变换3D 光路结构 者 出品 自学案例汇编 在几何光学模式下，透镜组的3D 光路结构如图14示，显然X 轴与Y 轴有不同的变换条件。然后，打开物理光学传播分析窗口击入设置对话框。始束腰位置在第一面，采样率设为256，为8。然后设置好采样率、显示方式等参数后确定回到显示窗口，得到的如图14示图像。在图像下方的文字说明中，包含了当前表面上对应光束参数的相关信息，如光斑尺寸，束腰大小，束腰位置等等。 不过，有一个问题，笔者也没搞太明白，X、Y 采样率容易理解，数值越大，分辨率越高；但是两个宽度值的含义是什么呢？如果是指入射光束的采样宽度，显然这个值不能太大，也不能太小，太大会因分辨率问题丢失光束信息，太小会因光束截止问题丢失光束信息。当然，如果是这样的话，其值肯定要比光斑尺寸大才行，大多少就得合理设置了（钮出来的结果也可能看起来不太舒服）。但是，笔者发现，这个宽度的设置还会影响图像显示窗口的坐标范围，如果坐标范围不合理，会影响图像查看的视觉效果。虽然可以设置图像比例和缩放，但是分辨率不会变化。读者请自行研究。 者 出品 自学案例汇编 图14理光学传播数设置 者 出品 自学案例汇编 图14斯光束经过薄透镜组的变换 另外，要注意的是，默认图像下方的当前表面光束数据参数信息应该是指加权平均值，如果光斑两个轴的参数独立的话，应该勾选分离X、Y 轴，将两个轴的参数分别显示，如图14示，并且要重新设置采样宽度以达到较好的观察效果。设置完毕返回图像窗口，效果如图14示，这时，两个轴的光束参数已经分别显示，且与前面结果不同。 者 出品 自学案例汇编 图14理光学传播数设置 者 出品 自学案例汇编 图14斯光束经过薄透镜组的变换 同样的问题是，有提供光斑轮廓的轨迹图，我们只能借助第三方软件或者自行计算光束变换后的参数是否与理论一致。这里，我们借助第三方软件，分别给出了X 轴与Y 轴的光斑轮廓轨迹图像，如图14图14示，从计算的束腰位置和束腰尺寸来看，两者结果是完全一直的。 图14斯光束经过薄透镜组的变换（X 轴） 者 出品 自学案例汇编 图14斯光束经过薄透镜组的变换（Y 轴） 另外，需要说明的是