使用物理光學傳播 第一部分:檢視光束


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這篇文章介紹使用OpticStudio的物理光學傳播功能,物理光學傳播可以計算電場在自由空間中傳播的狀況。接著會介紹光束檔檢視器 (Beam File Viewer),此工具可以用來逐面的檢視光束的相位與強度狀況。

原文連結:Using Physical Optics Propagation (POP), Part 1: Inspecting the beams
原文作者:Erin Elliot
原文發布時間:September 14, 2016
附件下載:檔案連結

介紹
OpticStudio中的許多工具只需要按按鈕;你只需要點一下按鍵,然後就可以得到正確的分析結果。但物理光學傳播 (Physical Optics Propagation,簡稱POP) 不是,這個工具利用純量繞射理論把電場傳播經過自由空間,你需要一些指引才能保證結果是正確的。這跟Fresnel傳播過程的特性有關係,而這個特性又跟快速傅立葉轉換 (Fast Fourier Transform,簡稱FFT) 有關。模擬過程除了考慮這些特性之外,你還需要取得平衡,在確保光束取樣解析度足夠的同時,也保證取樣矩陣寬度夠大,已獲得所有需要的空間頻率。每一次使用POP時,你都必須仔細的檢查整個過程執行的狀況。

此系列文章共有三個部份,將使用一個範例檔案,貫穿說明物理光學傳播正確的使用方法。

在第一部分中,我們討論一個範例系統,並說明使用光束檔檢視器 (Beam File Viewer)。
在第二部分中,我們將查看光束強度以及跟強度有關的問題。
在第三部分中,我們將查看光束的相位以及可能會發生在相位上的問題。

我們不打算在這裡討論太多的自由空間傳遞的理論,或甚至是POP演算法的細節。在開始閱讀這系列文章之前,你最好先把說明文件 (Help) 中有關POP的部分都先讀一遍。
你可以在Help選單中找到 "Help System" 按鈕,你可以透過這裡開啟說明文件。然後你可以直接的搜尋 “POP”,或是直接從目錄中選擇 “The Analyze Tab \ Laser and Fibers Group \ About Physical Optics Propagation”,如下圖:

圖1:連結OpticStudio說明文件


圖2:從OpticStudio說明文件中,尋找POP的資訊


範例鏡頭檔案
我們將使用附件的鏡頭檔案示範,如圖3與圖4。這是一個兩片透鏡的系統。第一片透鏡準直光束,然後第二片透鏡聚焦光束。兩片透鏡都是非球面單透鏡,使用到第四階的非球面係數來校正球差。
在光束準直區域中有一個遮光的部分。我們設定系統波長為1 mm。

圖3:兩片透鏡的系統圖


圖4:兩透鏡範例系統的鏡頭資料

我們希望打一道高斯光束進入系統,模擬他被一個光纖光源照射的樣子。在System Explorer中,我們設定Aperture Type為 "Object Space NA",並且Aperture Value為 “0.05”。這對應到一個光束散角2.9度、光腰半徑為6.4 mm的高斯光束,你可以用以下公式換算出這個結果:
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/6ca8edbe-4f58-4ee9-aa60-8da.jpeg

雖然我們已經依據高斯的資料設定了,但請注意你在Layout中所看到的是幾何光線的畫面!這個Layout中的結果並不能代表真正的高斯光束。要瞭解更多相關資訊,請看知識庫文章 “幾何光線與高斯光束” 。 (注:此文章英文版尚未公開,公開後我們會盡快翻譯為中文,你可以隨時到http://zemax.com/kb 中確認)
在我們使用的範例系統中,當遠離光腰時,我們的高斯光束可以用光線很好的表達。因此我們可以使用Footprint Diagram以及其他以光線為基礎的分析工具來交互確認POP的計算結果,只要不靠近焦點,結果應該都是正確的!

http://forum.zemax.com/Uploads/Images/5dd695ff-a14b-4029-9881-c55.jpeg
圖5:System Explorer,設定Object Space NA = 0.05,並且Apodization Type = Gaussian

初步的POP結果
你可以在Analyze選單中找到開啟POP的按鈕: “Physical Optics”。


圖6:點一下 “Physical Optics” 按鈕以開啟 POP 分析工具

你可以點一下POP分析視窗左上角的向下箭頭來開啟POP模擬相關的設定。打開後可以看到四個選單。在範例系統中,我們將會從以下的設定開始說明。
請注意POP分析視窗不會讀取你在System Explorer中設定的Object NA。NA必須在POP裡面手動設定。System Explorer中的NA僅能控制幾何光線追跡。
在 “Beam Definition” 標籤中,我們設定一個NA是0.05的入射光線,這對應到光腰等於6.4 mm。我將會從1024 x 1024的矩陣開始,並設定整體矩陣寬度是0.1 x 0.1 mm。


圖7:General選單內的POP設定


圖8:Beam Definition選單內的POP設定

在Display選單內,我們勾選 “Save Output Beam To:” 以及 “Save Beam At All Surfaces”。這會讓程式把每一個面上面的電場分布都儲存為 .ZBF 檔,以供後續分析傳播過程用。


圖9:Display選單內的POP設定

在執行POP後,你會看到光束在像面上的照度分佈。看起來好像沒有什麼明顯的問題。光束看起來取樣的還OK,在照度強烈的地方有許多像素分布。沒有混疊 (Aliasing) 或是其他奇怪的異狀。但如果我們轉到 “Prop Report” 標籤中,可以看到這裡面似乎有幾個問題。我們可以看到在第二個面有 “Low Sampling of pilot beam” 的警告訊息。
同樣的因為POP計算的複雜性,我們必須總是逐面的檢查整體光束的資訊,以確保計算在整個傳播過程中都是正確的。


圖10:POP計算的輸出結果


圖11:Prop Report標籤顯示出計算很可能是問題的


檢查光束檔
要找出可能的計算問題,我們需要檢查每一個面上儲存下來的光束檔。你可以用Analyze選單中的Beam File Viewer工具來檢查光束檔,他在Physical Optics按鈕的隔壁。

http://forum.zemax.com/Uploads/Images/a1d5fb1e-2c35-44a5-b9f6-f72.jpeg
圖12:開啟光束檢視器 (Beam File Viewer)

在光束檢視器的設定中,可以看到一個下拉式選單可以選擇要觀看哪一個ZBF檔。每一個檔案在檔名尾端都會掛上一個 "00XX",表示這個光束檔 (.ZBF) 是哪一個面上面的光束資訊。而檔名末端沒有數字的 .ZBF 檔則代表像面,它跟POP分析儲存的結果一樣。


圖13:選擇Beam File Viewer設定中的.ZBF檔。 檔名末端的 “00XX” 表這個光束檔是哪一個面上的光束資料

資料可以用各種不同的方式顯示。通常我們主要會查看 "Irradiance" ,照度,以及 “Phase” ,相位,並用偽色 “False Color” 來顯示。有時候也會用 Cross-Section、LOG刻度、以及縮放等功能,以用不同方式來查看同樣的資料。


圖14:Beam File Viewer可以顯示光束在任意面上的照度以及相位資訊

在下一篇文章 (第二篇) 中,我們將會使用Beam File Viewer來檢視這個範例的系統。



結論
* 每次執行POP時,所有設定都需要被詳細確認是否正確,並且執行後也要逐面的檢查整個系統傳播過程是否沒問題。
* Prop Report標籤顯示出計算過程中是否有遇到錯誤。
* 在執行POP時,每一個面上的光束檔 (beam file,副檔名.ZBF) 資料都必須儲存下來。
* 透過Beam File Viewer,你可以檢視系統中每個面上的光束資料。

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