OpticStudio中模擬高階激光光束的案例
Ansys Zemax 在OpticStudio中模擬高階激光光束
本文描述了OpticStudio中可用于描述高階激光束的模型。一旦定義，這樣的光束可以在OpticStudio中使用物理光學(xué)傳播設(shè)計(jì)的任何光學(xué)系統(tǒng)中傳播。由矩形、圓形和橢圓形增益孔徑的激光腔產(chǎn)生的光束可以用可用的Hermite-Gaussian, Laguerre-Gaussian和Ince-Gaussian光束模型來描述。
簡介
一般來說，激光的輸出可以通過求解傍軸波動方程得到。這個(gè)方程最常見的解是理想單模高斯光束。其它正交解集的存在依賴于給定系統(tǒng)的對稱性。它們可以用來模擬高階光束模式。
OpticStudio提供了建模三個(gè)其他解決方案的選項(xiàng)。所選擇的解將描述光束的初始電場分布，然后使用物理光學(xué)傳播(POP)對光束的后續(xù)傳播進(jìn)行建模。
Hermite-Gaussian模型
對于矩形對稱的激光諧振腔，即矩形增益孔徑的激光諧振器，用Hermite-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。這些模式的電場分布可以用Hermite多項(xiàng)式表示。這種模式可以在OpticStudio中使用POP設(shè)置對話框中內(nèi)置的“高斯束腰”光束定義建模:
這種模式的基本輸入是束腰在X和Y上的寬度和在X和Y上的階數(shù)。以上設(shè)置演示如何模擬在X和Y方向上具有相同束腰寬度的(0,0)模式,對應(yīng)于一個(gè)單模高斯光束。然而，輸入光束也可以是在X和Y上不對稱的高階Hermite-Gaussian光束，例如:
Hermite-Gaussian模型通常被稱為TEMm,n模，其中m是光束在X中的階數(shù)，n是光束在Y中的階數(shù)。同樣，高斯光束是TEM00模光束。
Laguerre-Gaussian模型
對于圓柱對稱的激光諧振腔設(shè)計(jì)，即具有圓形增益孔徑的激光諧振腔，用Laguerre-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。
展開 Ansys Zemax | 在OpticStudio中模擬高階激光光束
概要
本文描述了OpticStudio中可用于描述高階激光束的模型。一旦定義，這樣的光束可以在OpticStudio中使用物理光學(xué)傳播設(shè)計(jì)的任何光學(xué)系統(tǒng)中傳播。由矩形、圓形和橢圓形增益孔徑的激光腔產(chǎn)生的光束可以用可用的Hermite-Gaussian, Laguerre-Gaussian和Ince-Gaussian光束模型來描述。
簡介
一般來說，激光的輸出可以通過求解傍軸波動方程得到。這個(gè)方程最常見的解是理想單模高斯光束。其它正交解集的存在依賴于給定系統(tǒng)的對稱性。1 它們可以用來模擬高階光束模式。
OpticStudio提供了建模三個(gè)其他解決方案的選項(xiàng)。所選擇的解將描述光束的初始電場分布，然后使用物理光學(xué)傳播(POP)對光束的后續(xù)傳播進(jìn)行建模。
Hermite-Gaussian模型
對于矩形對稱的激光諧振腔，即矩形增益孔徑的激光諧振器，用Hermite-Gaussian模型給出了傍軸波動方程的合適解。這些模式的電場分布可以用Hermite多項(xiàng)式表示。這種模式可以在OpticStudio中使用POP設(shè)置對話框中內(nèi)置的“高斯束腰”光束定義建模:
這種模式的基本輸入是束腰在X和Y上的寬度和在X和Y上的階數(shù)。以上設(shè)置演示如何模擬在X和Y方向上具有相同束腰寬度的(0,0)模式,對應(yīng)于一個(gè)單模高斯光束。然而，輸入光束也可以是在X和Y上不對稱的高階Hermite-Gaussian光束，例如:
Hermite-Gaussian模型通常被稱為TEMm,n模，其中m是光束在X中的階數(shù)，n是光束在Y中的階數(shù)。同樣，高斯光束是TEM00模光束。
關(guān)于“高斯束腰”光束定義的輸入?yún)?shù)的進(jìn)一步描述可以在幫助系統(tǒng)中“關(guān)于物理光學(xué)傳播”一節(jié)中找到。
展開 ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中模擬激光光束傳播：第二部分 使用近軸高斯光束工具來模擬高斯光束
有以下三種工具可在 OpticStudio 的序列模式中模擬高斯光束傳播：
基于光線的方式
近軸高斯光束分析
物理光學(xué)傳播
本系列的三篇文章旨在介紹如何創(chuàng)建一個(gè)高斯激光光源、如何分析光束通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的傳播和如何使用上述三種方式優(yōu)化至最小光斑。上周我們講到了本系列文章的第一篇：ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中模擬激光光束傳播：第一部分-高斯光束理論和基于光線的方式。
本文也會介紹適用于特定情況的最佳模擬方式，是系列文章的第二篇，重點(diǎn)介紹如何使用近軸高斯光束分析工具對高斯光束建模。聯(lián)系我們下載文章中的附件。
介紹
OpticStudio 序列模式提供了三種模擬高斯光束傳播的工具：基于光線的方式、近軸高斯光束和物理光學(xué)傳播 (POP)。基于光線的方式利用幾何光線追跡來建模光束傳播。近軸高斯光束計(jì)算高斯光束通過近軸光學(xué)系統(tǒng)傳播時(shí)的各種光束數(shù)據(jù)，包括光束尺寸和束腰位置。而 POP 通過傳播相干波前來模擬激光光束，能對任意相干光束進(jìn)行詳細(xì)的研究。本系列的三篇文章討論了如何使用這三種方法來建模高斯光束。本文將介紹方法2 - 用近軸高斯光束模擬激光光束傳播。
近軸高斯光線分析
該工具在分析 (Analyze)... 激光和光纖 (Lasers and Fibers)... 高斯光束 (Gaussian Beams)…近軸高斯光束 (Paraxial Gaussian Beam) 中。近軸高斯光束分析是一種交互式功能，可以作為一個(gè)“計(jì)算器”快速計(jì)算高斯光束的特性。該功能需要定義初始輸入光束的屬性及其M2值，來模擬理想模式和混合模式的高斯光束。它的優(yōu)點(diǎn)是允許您輸入理想模式和混合模式 (M2>1) 兩種狀態(tài)的高斯光束，并顯示光束傳播至光學(xué)系統(tǒng)每個(gè)表面時(shí)的光束數(shù)據(jù)。
展開 ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中模擬激光光束傳播：第三部分 使用物理光學(xué)傳播來模擬高斯光束
有以下三種工具可在 OpticStudio 的序列模式中模擬高斯光束傳播：
基于光線的方式
近軸高斯光束分析
物理光學(xué)傳播
本系列的三篇文章旨在介紹如何創(chuàng)建一個(gè)高斯激光光源、如何分析光束通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的傳播和如何使用上述三種方式優(yōu)化至最小光斑。
前面我們講到了本系列文章的前兩篇：
· 高斯光束理論和基于光線的方式
· 使用近軸高斯光束工具來模擬高斯光束
本文也會介紹適用于特定情況的最佳模擬方式，是系列文章的第三篇，重點(diǎn)介紹如何使用物理光學(xué)傳播工具來建模高斯光束，以及何時(shí)使用哪種工具。【 聯(lián)系我們下載文章中的附件。】
簡介
激光工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有必要對激光在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播進(jìn)行建模。與基于光線的方法不同，物理光學(xué)傳播 (POP) 通過傳播相干波前來模擬激光光束，因此允許對任意相干光束進(jìn)行非常詳細(xì)的研究。在接下來的章節(jié)中，我們將介紹如何使用 POP 建模光束傳播。
物理光學(xué)傳播
物理光學(xué)傳播通過傳播波前來模擬光學(xué)系統(tǒng)中的傳播。光束由離散采樣點(diǎn)的陣列上的數(shù)據(jù)表示，類似于用光線進(jìn)行幾何光學(xué)分析的離散采樣。整個(gè)陣列通過光學(xué)表面之間的自由空間傳播。在每個(gè)光學(xué)表面上，系統(tǒng)會計(jì)算一個(gè)將光束從光學(xué)表面的一邊傳播到另一邊的轉(zhuǎn)換函數(shù)。因?yàn)?em>光束是由其全部復(fù)值電場陣列描述的，所以物理光學(xué)傳播 POP 允許仔細(xì)研究任意相干光束，包括高斯或任何形式的高階多模激光束（光束是用戶可定義的）、遠(yuǎn)焦衍射影響或有限鏡頭孔徑的影響（如空間濾波器）。這篇文章將不會深入如何使用物理光學(xué)傳播工具的細(xì)節(jié)。
展開 
ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中模擬激光光束傳播：第一部分-高斯光束理論和基于光線的方式
有以下三種工具可在 OpticStudio 的序列模式中模擬高斯光束傳播：
基于光線的方式
近軸高斯光束分析
物理光學(xué)傳播
本系列的三篇文章旨在介紹如何創(chuàng)建一個(gè)高斯激光光源、如何分析光束通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的傳播和如何使用上述三種方式優(yōu)化至最小光斑。本文也會介紹適用于特定情況的最佳模擬方式。
本文是三篇系列文章的第一篇，旨在介紹用基于光線的方式來模擬激光光束傳播。聯(lián)系我們下載文章中的附件
簡介
OpticStudio 序列模式提供了三種模擬光束傳播的工具:
基于光線的方式。 此工具用幾何光學(xué)追跡模擬光束傳播。
近軸高斯光束。 此工具模擬高斯光束且在光線通過近軸光學(xué)系統(tǒng)時(shí)報(bào)告包括光束尺寸和束腰位置的光束數(shù)據(jù)。
物理光學(xué)傳播 (POP)。此工具通過傳播相干波前來模擬激光光束傳播，因此允許對任意相干光束進(jìn)行非常詳細(xì)的研究。
這個(gè)系列的三篇文章旨在介紹如何用三種方式模擬高斯光束。在本文中我們將介紹方法一：如何用基于光線的方式來模擬激光光束傳播。
高斯光束理論
一個(gè)束腰為 w0 的理想高斯光束可以用以下三個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)進(jìn)行描述，如圖下所示：
波長 λ
束腰 w0
發(fā)散角 θ
光束尺寸可以作為距束腰位置距離的函數(shù)。注意 OpticStudio 使用光束直徑的半寬，即半徑來描述光束寬度。
對于遠(yuǎn)離束腰處，光束尺寸線性擴(kuò)展。光束的發(fā)散角如下
在這里 zR 是光束的瑞利距離：
光束的相位曲率半徑是到光束束腰的距離z的函數(shù)：
這意味著在束腰位置 z = 0 處半徑為無窮大，在 z = zR 處達(dá)到最小值 2 zR，當(dāng) z 趨于無窮時(shí)，半徑漸近于無窮大。
展開 在 OpticStudio 的序列模式中模擬高斯光束傳播的三種工具
有以下三種工具可在 OpticStudio 的序列模式中模擬高斯光束傳播：
基于光線的方式
近軸高斯光束分析
物理光學(xué)傳播
本系列的三篇文章旨在介紹如何創(chuàng)建一個(gè)高斯激光光源、如何分析光束通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)的傳播和如何使用上述三種方式優(yōu)化至最小光斑。
ZEMAX軟件技術(shù)應(yīng)用專題：在 OpticStudio 中模擬高階雷射光束
該方程最廣為人知的解法是理想的單模高斯光束的解法。存在依賴於給定係統(tǒng)對稱性的其他正交解集。1 它們可用於對高階光束模式進(jìn)行建模。
在這篇Blog中，我們描述了 OpticStudio 中可用於表徵高階雷射光束的模型。定義後，此類光束可以在 OpticStudio 中使用物理光學(xué)傳播設(shè)計(jì)的任何光學(xué)系統(tǒng)中傳播。從具有矩形、圓形和橢圓形增益孔徑的雷射共振腔產(chǎn)生的光束可以使用 Hermite-Gaussian、Laguerre-Gaussian Ince-Gaussian 光束的可用模型進(jìn)行表徵。
Hermite-Gaussian 模態(tài)
對於具有矩形對稱性的雷射腔設(shè)計(jì)，即具有矩形增益孔徑的設(shè)計(jì)，近軸波動方程的適當(dāng)解由 Hermite-Gaussian 模態(tài)提供。這些模式的電場分佈可以寫成 Hermite 多項(xiàng)式。此類模式可以在 OpticStudio 中使用 POP 設(shè)置對話框中的內(nèi)置“高斯腰”光束定義進(jìn)行建模：
此模式的主要輸入是 X 和 Y 中束腰以及 X 和 Y 中光束的階數(shù)。以上設(shè)置演示瞭如何對 X 和 Y 中具有相同腰尺寸的 (0,0) 模式進(jìn)行建模，對應(yīng)於單模高斯光束。然而，輸入光束也可以是在 X 和 Y 上不對稱的高階 Hermite-Gaussian，例如:
Hermite-Gaussian 模態(tài)通常被指定為 TEMm,n 模式，其中 m 是 X 中光束的階數(shù)，n 是 Y 中光束的階數(shù)。同樣，高斯光束是 TEM00 模式光束。
“Gaussian Waist”光束定義的輸入?yún)?shù)的進(jìn)一步描述可以在標(biāo)題為“關(guān)於物理光學(xué)傳播”的Help系統(tǒng)部分中找到。
Laguerre-Gaussian 模態(tài)
對於圓柱對稱的雷射腔設(shè)計(jì)，即具有圓形增益孔徑，Laguerre-Gaussian模態(tài)提供了對近軸波動方程的適當(dāng)解。
展開 [NEWSLETTER] 高質(zhì)量激光光束光學(xué)系統(tǒng)中的空間濾波
空間濾波是光學(xué)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，用于細(xì)化激光束，提高其質(zhì)量，并最大限度地減少像差和不必要的衍射效應(yīng)。通過采用透鏡和光闌的組合，空間濾波選擇性地從激光束中去除不想要的成分，例如噪聲、衍射圖案和空間不規(guī)則性。這一過程確保了更均勻的強(qiáng)度分布，減少了發(fā)散，增強(qiáng)了相干性，從而提高了光束質(zhì)量。空間濾波在各種應(yīng)用中是必不可少的，包括激光加工、全息技術(shù)、顯微鏡和通信領(lǐng)域，其中對光束特性的精確控制對于最佳性能和精度至關(guān)重要。
VirtualLab Fusion獨(dú)特的模擬技術(shù)使用戶能夠?qū)V波進(jìn)行詳細(xì)建模，從而評估對光學(xué)系統(tǒng)性能和特性的影響。
用于光束切趾的圓形鋸齒光闌
光束切趾在高能激光器和光束傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起著關(guān)鍵作用。得益于VirtualLab Fusion高度可定制的環(huán)境，鋸齒形光束切趾器可以使用插入式傳輸函數(shù)進(jìn)行建模。
使用空間濾波器“清理”激光光束
在VirtualLab Fusion中對帶有針孔的空間濾波系統(tǒng)進(jìn)行了建模。我們演示了針孔的開口如何影響輸出光束質(zhì)量。
展開 高質(zhì)量激光光束光學(xué)系統(tǒng)中的空間濾波
用于光束切趾的圓形鋸齒光闌
VirtualLab Fusion獨(dú)特的模擬技術(shù)使用戶能夠?qū)V波進(jìn)行詳細(xì)建模，從而評估對光學(xué)系統(tǒng)性能和特性的影響。
空間濾波是光學(xué)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，用于細(xì)化激光束，提高其質(zhì)量，并最大限度地減少像差和不必要的衍射效應(yīng)。通過采用透鏡和光闌的組合，空間濾波選擇性地從激光束中去除不想要的成分，例如噪聲、衍射圖案和空間不規(guī)則性。這一過程確保了更均勻的強(qiáng)度分布，減少了發(fā)散，增強(qiáng)了相干性，從而提高了光束質(zhì)量。空間濾波在各種應(yīng)用中是必不可少的，包括激光加工、全息技術(shù)、顯微鏡和通信領(lǐng)域，其中對光束特性的精確控制對于最佳性能和精度至關(guān)重要。
展開 