探索OpticStudio中的物理光學傳播


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本文章介紹了OpticStudio的物理光學傳播之功能給有興趣或是新的使用者,文章內容包含:
· 畸像光束 (Anamorphic Beams)
· 光纖耦合
· 吉布斯現象 (Gibbs Phenomenon)
· 空間濾波器
· 複雜光學件
· 光束文件查看器 (Beam File Viewer)
本文章的內容不論是使用正版或是Demo試用版本的OpticStudio都可以操作。
原文連結:Exploring Physical Optics Propagation in OpticStudio
原文作者:Andrew Locke
原文發布時間:October 31, 2005

什麼是物理光學傳播?
用幾何光線追跡描述光傳播是不完整的。嚴格來說,光傳播是一個同調的 (coherent) 過程,當光的波前在自由空間或是介質中傳播時,波前會與自身同調干涉。要模擬這個同調性的傳播,須包含到物理光學的領域。OpticStudio中的物理光學傳播 (Physical Optics Propagation, 簡稱POP) 功能使用繞射計算,將波前在光學系統中逐面的傳播。在這個功能中,光的同調性質可以被完全考慮。
當使用POP,波前會以點的矩陣來模擬,矩陣中的每個點都儲存了光束的複數振幅資訊。使用者可以用尺寸、取樣,以及長寬比來定義矩陣中的點。
當光束從一個面傳播到另一個時,將會使用Fresnel繞射或是角度場傳遞其中一種方式計算,OpticStudio會自動選擇合適的演算法以達到最佳的數值精度。繞射傳播的演算法可以在任意距離、任意光束,以及任意孔徑的情況下,提供正確的傳播結果,包含使用者自訂孔徑也可以。
POP的應用包含了光纖耦合 (單模或是多模) 、任何光學空間的繞射傳播、計算因像差造成之最佳光腰焦點位移,以及計算光束的光通量以及在光學面上的照度。物理光學傳播也可以被用來分析任意雷射光束在複雜系統中的細節,包含M2計算。

畸像光束
請使用Ribbon工具列的 "File > Open" 或是系統工具列的 “Open” 按鈕開啟檔案 “Samples > Physical Optics > Anamorphic Beams.zmx”。
此檔案展示了光束在畸像稜鏡中的傳播。


請查看Ribbon工具列的 “Setup > Project Preferences > General”,如果在開啟檔案時, “Use session Files” 選項有被勾選的話,將會一併開啟鏡頭數據編輯器、點列圖、Shaded Model視圖,以及物理光學傳播 (Physical Optics Propagation) 視窗。
POP視窗展示了光束在像面 (面14) 的照度分佈。
要觀看初始光束設定,請點擊物理光學傳播視窗目錄列上的 “Settings” ,並選擇 “Beam Definition” 標籤。可以看到光束類型為Gaussian,其x與y的 “waist size” (光腰) 設定皆為0.004 mm (4微米)。現在,請點擊 “General” 標籤,此光束被設定為從面1開始,傳播到成像面。請勾選 “Separate X, Y” 。這個選項讓像散/畸像光束在傳播時,可以有更佳的精準度。打開這個選項後,OpticStudio將會分開X與Y兩個方向的相位參考來計算。


現在,點擊 “OK” 以重新計算分析結果。


請注意,雖然入射光束是旋轉對稱的Gaussian光束 (半光腰4 microns),在傳播經過畸像稜鏡 (面5到面13) 之後,出射光束是畸像的,Pilot光束資料 (位於視窗底部) 以數值描述了這個結果。Pilot光束代表的是最佳擬合之Gaussian光束,擬合結果是基於真實波前參數的。
為了表現畸像光束更加細節的分析,你可以使用物理光學傳播的截面繪圖。欲查看POP截面繪圖,你可以從POP視窗的目錄列點擊 “Settings” ,選擇 "Display" 標籤,在 “Show” 項目選擇 “Cross X”,然後點擊OK。


提示:你可以點擊POP視窗中底部的標籤 “Text” ,以產生資料數值的文字摘要。你可以圈選這些資料並複製到剪貼簿,然後貼到其他應用程式。你也可以點擊目錄列上的 “Copy” 圖示以複製全部文字,或是點擊 “Save As” 按鈕,把資料存入到文字檔。當你在做更加完整的分析時,這個功能會很有用。

光纖耦合
請打開檔案 “Samples > Physical Optics > Fiber Coupling.zmx”。這個檔案展示了使用OpticSutdio中的物理光學傳播功能以計算光纖耦合。請觀察隨著檔案一起打開的POP視窗 (請確保打開檔案時, “Use Session Files” 有被勾選) ,其底部列出了光纖耦合資訊。目前耦合的效率達到優異的99%!


如同POP視窗設定中 “Beam Definition” 標籤所示,該光束是一個光腰2 mm的Gaussian光束。欲查看接收光纖的定義方式,請檢視POP視窗設定的 “Fiber Data” 標籤。可以看到接收的光纖型態是Gaussian,光腰是8 microns。請同時注意 “Compute Fiber Coupling Integral” 選項有被勾選,OpticStudio只會在此選項有被勾選的狀況下,顯示光纖耦合資訊。若沒有勾選,POP視窗底是將改為顯示Pilot光束資料。


現在來模擬耦合到更細的光纖的狀況,請試著改變接收光纖:在標籤 "Fiber Data" 中,改變 "Waist X" 以及 “Waist Y” 為0.004,然後點擊 “OK”。耦合資料將會重新計算。


如同預期的,耦合到更細的光纖會降低效率。
提示:完整授權版本的使用者可以使用評價函數操作數FICP以優化光纖耦合,FICP是基於物理光學傳播計算的操作數。
授權的使用者也可以在Knowledge Base瀏覽有關單模光纖耦合更多細節的文章:How to Model Coupling Between Single-Mode Fibers

吉布斯現象 (Gibbs Phenomenon)
我們現在要使用物理光學傳播模擬,當均勻光線被孔徑截形時,產生的近場效應。請打開檔案 “Samples > Physical Optics > Gibbs Phenomenon.zmx”。
請注意此範例中光欄 (Stop) 面的Semi-Diameter旁邊的 “U” 標誌,表示一個固定的、銳利的孔徑被設置於此面。孔徑的半徑等同於此面的Semi-Diameter設定。因此,在這個範例中,孔徑為圓型,且半徑為0.1 mm。


此檔案將會打開兩個截面分析的POP視窗,一個展示面1上的輸出,而另一個展示在像面 (面2) 上的結果。在設定上,兩個視窗都有同樣的光束設定,唯一不同的是設定對話框中 “General” 標籤裡的 “End Surface” 設定。在 “Beam definition” 標籤中顯示的是均勻的光束設定,光腰 (Waist) 大小為0.1 mm, “Beam Type” 設定為 “Top Hat”。


左邊的截面繪圖顯示了均勻光束在孔徑之前的振幅狀況。右側則顯示了經過孔徑之後短距離時,光束的邊緣因繞射產生的抖動。




此抖動在幾何光線追跡時無法被觀察到,要模擬此現象,需要物理光學傳播。
提示:因為物理光學傳播是傳播複數振幅矩陣,光束的相位也可以被顯示。想查看POP輸出的相位圖,只要在POP視窗設定中的 “Display” 標籤中,設定 “Data” 為 “Phase” 即可。

空間濾波器
請打開檔案 “ Samples > Physical Optics > Pinhole Aperture.zmx”。
此檔案展示了使用POP模擬空間濾波器。面2到面3構成的透鏡將光聚焦到面4的位置。一個孔徑被置於面5,面5與面4的位置是重疊的。欲檢視這個孔徑的設定的話,請雙擊鏡頭數據編輯器中,面5上面的 “Standard”。接著,點擊一下 “Aperture” 標籤,一個大小為6微米的 “針孔” 圓形孔徑被設定在這個面上。


隨著檔案一併打開的兩個POP視窗,顯示出在針孔之前以及之後的光束輸出。




該光束很顯著的被針孔所調整。如果入射光有任何像差,這個針孔將只允許基礎模態通過,讓光束更乾淨。在針孔之後,光束的總能量會明顯的下降 (初始值為1 Watt ) 。雖然針孔可以讓光束更乾淨,但也顯著地把光束能量降低到0.18 Watt,比初始值的20% 還少!
提示:在POP視窗中,被設定為 “End Surface” 的面,其在鏡頭數據編輯器中 “Comment” 欄位的註解內容,將會顯示在POP視窗中。這可以幫助你分辨不同面設定的POP視窗。

複雜光學件
物理光學傳播並不單純被限制於簡單透鏡的傳播。此計算同樣可以在傳播經過複雜光學元件時被計算,例如透鏡陣列。
請打開檔案 “Samples > Physical Optics > Lenslet Array.zmx”。
此檔案展示了一個 “top hat” 光束傳播經過矩形圓透鏡陣列。這個在面2上定義的陣列使用了 “User-Defined” 型態的面。這個型態的面可以是任意形狀,其需要透過額外的DLL檔案來定義。關於更多這些型態的面的資訊,你可以檢視 Knowledge Base 文章:How to Compile a User-Defined Surface
這個範例中使用的使用者自訂面 (User-Defined Surface) 只是眾多OpticStudio內建範例DLL檔之中的一個,這次使用的是球面透鏡的矩形陣列。透鏡陣列的參數可以在鏡頭數據編輯器的參數欄位定義。想要查看這些參數,請點擊LDE上面2所在的列的任意位置,然後使用鍵盤右鍵將畫面向右滾動。你可以看到定義矩陣單元數量的欄位以及每個單元的X與Y寬度的資訊。陣列中球面透鏡的曲率半徑是以標準的 “Radius” 參數來設定。


這個範例檔案一併開啟了 “Surface Sag” 視窗,此視窗展示了陣列中每個透鏡單元的曲率以及孔徑。


跟著範例檔案一起打開的POP視窗則顯示了均勻光束 (top hat) 傳播經過陣列的結果。


請觀察每個陣列單元單獨產生的影像,小透鏡的矩形孔徑產生了繞射。為了可以更清楚的在物理光學傳播視窗中看到,請打開視窗設定,然後點擊 “Display” 標籤,改變 "Scale" 設定為 “Log-5” ,然後點擊 “OK”。


提示:完整授權的OpticStudio使用者可以使用POPD評價函數操作數來優化POP計算的結果。

光束文件查看器
物理光學傳播視窗同樣提供存檔的功能,你可以儲存輸出的光束以供之後查閱。你可以使用光束文件查看器來檢視儲存的檔案。
要展示這個功能,請打開檔案 “Samples > Physical Optics > Tangential and Sagittal Focus.zmx” 。這個檔案展示了旋轉對稱的Gaussian光束的對稱,傳播經過了環面透鏡 (Toroidal Lens,面2到面3)。環面透鏡將引入像散像差到這個光束。
請打開面6 (像面) 輸出的物理光學傳播視窗的設定,選擇 “Display” 標籤。請勾選 “Save Output Beam To” 然後在右側的檔案名稱輸入 “Toroidal Lens”。請勾選 "Save Beam At All Surfaces" 然後點擊 “OK”。


OpticSudio將會重新計算分析結果,但這次會同時儲存光束在每個面輸出。要想查看儲存的輸出結果,請到Ribbon工具的Analyze標籤,從 “Laser and Fibers” 群組中選擇 “Beam File Viewer” 工具。打開光束文件查看器的設定,點擊 “File” 右邊的下拉式選單,會列出所有可選的光束文件。剛才儲存的檔案名稱 (Toroidal Lens) 將會顯示,並且在尾端加上一個數字,這個數字代表了檔案中儲存光束的面的編號。因為你勾選了POP視窗設定中的 “Save Beam At All Surfaces” ,每個面都會儲存一個檔案。現在請選擇 "Toroidal Lens_0001" 並點擊 “OK”。


光束文件查看器的顯示畫面基本上會與POP視窗相同。其視窗設定包含許多與POP視窗的 “Display” 標籤相同的設定。為了查看POP在每個面的輸出結果,請在光束文件查看器設定中的 “File” 下拉式選單中選擇相對應的檔案。
提示:你可以經由鍵盤上的左右方向鍵來切換不同面的輸出結果,一次可以看一個面。


更多敘述
你可以打開Physical Optics資料夾中的其他範例檔案,以探索更多OpticStudio的物理光學傳播功能。在這些檔案中嘗試改變 “Beam Definition” 標籤中其他光束定義,或是調整 “Fiber Data” 標籤。
OpticStudio的Help系統是一個完美的資訊來源,你可以在你繼續探索OpticStudio功能時,參考這個Help系統。你可以在Ribbon工具列的標籤中找到PDF檔以及Help系統兩種選擇。


我們建議使用者可以花一點時間瀏覽下面的Knowledge Base文章,以繼續OpticStudio的使用導覽。
Exploring Non-Sequential Mode in Zemax


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