POP (物理光學傳播) 無法使用的場合


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摘要:本文章說明在哪些狀況下,POP會無法使用。
原文作者:永田信一さん
原文發布時間:November 17, 2009

1. 面的限制
Non-Sequential Component面、雙折射面、非均勻折射率面、光柵面、以及Binary等繞射面等,這些都無法應用物理光學傳波的演算法。
在這些面上,取而代之的,會使用「光線」來傳播到下一個面,下一個面之後,才回到複數振福的「波前」傳遞演算法。
但是,如果在光線有聚焦的情況下,會無法正確的轉換回到波前。因為在聚光點附近,光線無法適當的模擬光束被繞射的狀態。
因此,上述幾個面的附近如果光線有聚焦的狀況時,無法使用POP來模擬。
如果光腰在上述這些面的附近時,也屬於這種情況。

這裡所說的「附近」,指的是Rayleigh Range的附近的意思。
粗略來看,離開Rayleigh Range十倍以上距離時,可以被判斷為「不在附近」。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/10db73ac-487e-4cb3-85ce-1c6c.png

(註) 上圖中,發散角θ指的是全角 (非半角),但注意在Zemax中θ指的是半角。
Rayleigh Range的一半寫作ZR,可以用以下公式計算。
ZR = π (ω^2)/λ
其中,
π是圓周率
ω是光腰半徑
λ是波長

舉例來說,
ω = 2 um
λ = 0.633 um
的話,
ZR = 3.14 (2^2)/0.633 = 19.8 um

此外,系統中第一個光學面是上面這幾個面的時候,也屬於此類情況。
這個時候,Zemax OpticStudio會跳出以下的錯誤訊息。
http://forum.zemax.com/Uploads/Images/7c73d598-1ff2-4fd2-8c7e-91a7.png

2. 發散角很大的情況
光束的發散角很大時,POP無法使用。
原因是因為這個情況下無法用純量繞射理論來適當的模擬。

當Zemax OpticStudio發現光腰半徑在波長尺度以下時會發出警告。
光腰半徑是否在波長以下可以用下面的計算得出。


也就是說,光束的發散半角是17.7o以上時,會發出警告。


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