激光光束建模的案例
RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—單模光纖內(nèi)光束的特性(光束的傳輸特性)
研究非理想的入射條件下，單模光纖內(nèi)多光束的傳輸特性。設(shè)定入射光為高斯型（不完全匹配光纖的導(dǎo)波模式），離軸入射，并具有一定的入射角。根據(jù)以上計(jì)算的光纖模式，用戶還需計(jì)算入射效率，采用多個(gè)光束傳輸，即可分析光纖內(nèi)的傳輸特性。
圖1為yz平面的場(chǎng)振幅分布，可觀察到入射光如何進(jìn)入包層的過(guò)程。
圖2為入射效率與初始光束半徑的函數(shù)關(guān)系。
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(lái)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(guò)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(huì)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(duì)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(lái)建模光束傳播。近軸高斯光束計(jì)算高斯光束通過(guò)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(guò)傳播相干波前來(lái)模擬激光光束，能對(duì)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(lái)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(lái)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(kāi) [VirtualLab] Inces-Gaussian光束產(chǎn)生渦旋陣列激光光束的觀測(cè)
Express 16, 19934-19949(2008)]的步驟，利用嵌入Dove棱鏡的非平衡Mach-Zehnder干涉儀模擬了基于Ince-Gaussian模的渦旋陣列激光光束的生成。所提出的干涉裝置產(chǎn)生的渦旋陣列激光光束在傳播過(guò)程中和焦點(diǎn)都可以保持其光束輪廓。因此，所提出的渦旋陣列激光光束以二維陣列的形式應(yīng)用于光鑷和原子阱中，具有很大的前景。
任務(wù)說(shuō)明
在VirtualLab Fusion中構(gòu)建系統(tǒng)
系統(tǒng)構(gòu)建模塊—光源
系統(tǒng)構(gòu)建模塊—組件和探測(cè)器
渦旋陣列激光光束產(chǎn)生的仿真
在光源中使用不同模式階次生成渦旋陣列
橢圓度參數(shù)對(duì)渦旋陣列圖案的影響
總結(jié)—系統(tǒng)構(gòu)建模塊…
在VirtualLab Fusion的工作流程
? 設(shè)置輸入場(chǎng)
? Basic Source Models [教程視頻]
?Ince-Gaussian Models [用例]
? 使用界面構(gòu)造真實(shí)組件
? 定義組件的位置和方向
- LPD II : Position and Orientation [教程視頻]
? 為非序列追跡設(shè)置通道
- Channel Setting for Non-Sequential Tracing [用例]
VirtualLab Fusion 技術(shù)
文件信息
進(jìn)一步閱讀
- Mach-Zehnder Interferometer
- Ince-Gaussian Modes
展開(kāi) 利用空間濾波器“清理”激光束
VIRTUALLAB FUSION中的光束切趾建模
JCMSuite應(yīng)用—衰減相移掩模
熱透鏡引起焦點(diǎn)偏移的研究
摘要
在許多激光應(yīng)用中，獲得良好的光束質(zhì)量是非常重要的，而獲得良好光束質(zhì)量的典型實(shí)驗(yàn)方法是空間濾波。在空間濾波系統(tǒng)中，在中間焦平面(即傅里葉平面)上放置一個(gè)針孔，以去除不需要的空間頻率分量。為了模擬這樣的系統(tǒng)，必須考慮來(lái)自針孔的衍射和激光束的衍射特性，我們?cè)谶@個(gè)例子中演示了空間濾波效應(yīng)。
建模任務(wù)
直徑7.5μm的空間濾波器
直徑7.5μm的空間濾波器
直徑5.0μm的空間濾波器
直徑2.5μm的空間濾波器
出射光束輪廓和功率比較
出射光束輪廓和功率比較
走進(jìn)VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion中的工作流程
VirtualLab Fusion技術(shù)
文件信息
延伸閱讀
- 低菲涅耳數(shù)系統(tǒng)中的針孔建模
- 自由空間傳播算子中傅里葉變換技術(shù)的自動(dòng)選擇
展開(kāi) 
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(lái)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(guò)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(lái)模擬高斯光束
本文也會(huì)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(lái)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(jiǎn)介
激光工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有必要對(duì)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(guò)傳播相干波前來(lái)模擬激光光束，因此允許對(duì)任意相干光束進(jìn)行非常詳細(xì)的研究。在接下來(lái)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(guò)傳播波前來(lái)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(guò)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(huì)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(chǎng)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(huì)深入如何使用物理光學(xué)傳播工具的細(xì)節(jié)。
展開(kāi) 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
基于光線的高斯光束建模方法
幾何光學(xué)通過(guò)光線追跡來(lái)建立光學(xué)系統(tǒng)的模型。光線是虛構(gòu)的線，它代表恒定相位表面或者波陣面的法線對(duì)于近軸高斯光束，在瑞利范圍內(nèi)，z < zR，光束尺寸變化非常緩慢。在這種情況下，光束可以被模擬為平行光束。在遠(yuǎn)超出瑞利范圍時(shí)，z >> zR，光束的尺寸隨傳播距離呈線性變化，可以將光束模擬為點(diǎn)光源。如下圖所示：
在瑞利范圍內(nèi)類似平行光束
在z ? zR時(shí)類似點(diǎn)光源發(fā)光：
示例
在本例中，我們將使用單透鏡建立一個(gè)激光聚焦系統(tǒng)，并演示如何使用基于光線的方法來(lái)優(yōu)化最佳聚焦。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，假設(shè)我們有以下規(guī)格的激光器：
名義波長(zhǎng)= 355 nm
在距激光出射口 5 mm 處：
測(cè)得光束直徑為 2 mm
測(cè)得光束發(fā)散角為 9 mrad
已知波長(zhǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，由式 (1) 到式 (3) 計(jì)算出束腰為0.0125 mm，瑞利距離為1.383 mm。將使用單透鏡對(duì)光束進(jìn)行聚焦，其目標(biāo)是優(yōu)化系統(tǒng)使得光束在距激光輸出口100毫米處具有最小尺寸。首先我們將使用基于光線的方法對(duì)該系統(tǒng)建模。
如前文所示，當(dāng)使用光線來(lái)模擬高斯光束時(shí)，我們需要知道傳播范圍是在瑞利范圍之內(nèi)還是之外，這將決定是使用點(diǎn)光源還是準(zhǔn)直的光線束來(lái)模擬光束。在本示例中，我們知道束腰位置在激光器外殼的內(nèi)部。利用式 (1)，計(jì)算得到束腰為0.0125 mm 以及瑞利距離為1.383 mm，此時(shí)我們可以計(jì)算出光束到達(dá)測(cè)量位置時(shí)光束距束腰的傳播距離z約為111.1 mm。由于這個(gè)傳播距離比光束的瑞利范圍大得多 (z>>zR)，所以此光束可用點(diǎn)光源來(lái)模擬。
展開(kāi) RP Fiber Power 光纖激光器及激光器設(shè)計(jì)軟件—多模光纖內(nèi)光束的特性(模式分布的模擬)
該程序模擬了幾種導(dǎo)波模式下光纖內(nèi)光束的傳輸特性。采用高斯光束入射，可與纖芯偏移，也可相對(duì)光纖軸向傾斜入射。此程序計(jì)算了所有模式的振幅分布，也可有效計(jì)算光纖輸出端的強(qiáng)度分布。除各輸出模式功率的計(jì)算之外，也可獲得以下圖形：
圖1為各導(dǎo)波模式的功率與入射光束位置的關(guān)系。
圖2為個(gè)導(dǎo)波模式的功率與光束斜入射角的關(guān)系。
圖3為給定光束偏移量下輸出光束的強(qiáng)度分布。
圖4為給定光束斜入射角下輸出光束的強(qiáng)度分布。
VirtualLab ：利用空間濾波“清理”激光光束
摘要
在許多激光應(yīng)用中，獲得良好的光束質(zhì)量十分重要，而獲得良好光束質(zhì)量的典型實(shí)驗(yàn)方法是空間濾波。在空間濾波系統(tǒng)中，在中間焦平面(即傅立葉平面)上放置一個(gè)針孔以去除不需要的空間頻率分量。為了模擬這樣的系統(tǒng)，必須考慮來(lái)自針孔的衍射和激光束的衍射特性，我們?cè)诒纠醒菔玖丝臻g濾波效應(yīng)。
建模任務(wù)
直徑開(kāi)口為7.5μm的空間濾波器
直徑開(kāi)口為7.5μm的空間濾波器
直徑開(kāi)口為5.0μm的空間濾波器
直徑開(kāi)口為2.5μm的空間濾波器
輸出光束剖面和功率比較
輸出光束剖面和功率比較
VirtualLab Fusion一瞥
VirtualLab Fusion中的工作流程
?設(shè)置入射高斯場(chǎng)
-基本光源模型[教程視頻]
?從Zemax OpticStudioR導(dǎo)入鏡頭系統(tǒng)
-從Zemax導(dǎo)入光學(xué)系統(tǒng)[應(yīng)用用例]
?設(shè)置元件的位置和方向
-LPD II:位置和方向[教程視頻]
?適當(dāng)?shù)卦O(shè)置傅里葉變換
VirtualLab Fusion技術(shù)
展開(kāi) FRED一個(gè)有噪聲的激光光束空間濾波
本文描述了如何在FRED中模擬空間濾波器，內(nèi)容適用于所有的相干光束通過(guò)小孔的情況。
用于空間濾波器的FRED工具
? 光源功率切趾內(nèi)置和自定義的光源功率切趾函數(shù)，可以非常容易準(zhǔn)確的定義光束輪廓。
? 最佳幾何焦點(diǎn)使用光線的任意子集，在任何表面的坐標(biāo)系統(tǒng)中尋找最佳焦點(diǎn)位置。
? 高級(jí)光線追跡靈活和精確的光線追跡控制能力，具有序列和非序列傳播選項(xiàng)、指定數(shù)目的交叉點(diǎn)和光線開(kāi)始和停止表面的選項(xiàng)。
? 相干標(biāo)量場(chǎng)分析相干場(chǎng)計(jì)算，允許計(jì)算并宣示振幅、能量、相位或波前。
? 相干場(chǎng)剪裁相干場(chǎng)的剪裁可以準(zhǔn)確的模擬一個(gè)小孔。
? 相干場(chǎng)合成從一個(gè)計(jì)算好或用戶指定的復(fù)合場(chǎng)合成一個(gè)新的相干光線。
簡(jiǎn)介
許多激光系統(tǒng)包含一個(gè)空間濾波器，來(lái)“清除”由散射或不想要的高階模引起的高頻噪聲，以產(chǎn)生準(zhǔn)直、單模的高斯光束。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)透鏡使光束聚焦到一個(gè)小孔上，然后再經(jīng)過(guò)第二個(gè)透鏡準(zhǔn)直。由于透鏡的傅里葉變換特性，在小孔平面上的光束輪廓是初始光束的傅里葉變換。小孔略去了邊緣處的高頻噪聲，然后讓低頻高斯光束以高的百分比（98-99%）通過(guò)。在FRED中模擬該過(guò)程涉及了一些技術(shù)，這些技術(shù)與使用復(fù)合光線追跡的相干光束的建模和傳播有關(guān)。本文通過(guò)詳細(xì)的步驟準(zhǔn)確地在FRED中模擬空間濾波器，并重點(diǎn)描述了過(guò)程中一些有用的功能和技巧。注意本文可適用于任何相干光束通過(guò)小孔的情況。
FRED應(yīng)用實(shí)例：一個(gè)有噪聲的激光光束空間濾波
光源的光束輪廓可以在FRED中通過(guò)位置功率切趾函數(shù)來(lái)指定。詳細(xì)的光源對(duì)話框的功率（Power）選項(xiàng)卡包含了位置切趾選擇，如圖1所示。高斯和振幅/相位掩模切趾將在本實(shí)例中使用。
展開(kāi) 利用空間濾波“清理”激光光束
建模任務(wù)
在許多激光應(yīng)用中，獲得良好的光束質(zhì)量十分重要，而獲得良好光束質(zhì)量的典型實(shí)驗(yàn)方法是空間濾波。在空間濾波系統(tǒng)中，在中間焦平面(即傅立葉平面)上放置一個(gè)針孔以去除不需要的空間頻率分量。為了模擬這樣的系統(tǒng)，必須考慮來(lái)自針孔的衍射和激光束的衍射特性，我們?cè)诒纠醒菔玖丝臻g濾波效應(yīng)。
[VirtualLab] 利用空間濾波“清理”激光光束
摘要
在許多激光應(yīng)用中，獲得良好的光束質(zhì)量十分重要，而獲得良好光束質(zhì)量的典型實(shí)驗(yàn)方法是空間濾波。在空間濾波系統(tǒng)中，在中間焦平面(即傅立葉平面)上放置一個(gè)針孔以去除不需要的空間頻率分量。為了模擬這樣的系統(tǒng)，必須考慮來(lái)自針孔的衍射和激光束的衍射特性，我們?cè)诒纠醒菔玖丝臻g濾波效應(yīng)。
利用物鏡對(duì)二極管激光器光束進(jìn)行準(zhǔn)直
系統(tǒng)說(shuō)明
? 光源
— 發(fā)散的紅外激光二極管
? 組件
— 通過(guò)折射透鏡系統(tǒng)對(duì)發(fā)散的二極管激光光源進(jìn)行準(zhǔn)直
? 探測(cè)器
? 建模/設(shè)計(jì)
— 光線追跡：掌握系統(tǒng)性能并進(jìn)行波前差計(jì)算
— 場(chǎng)追跡：激光剪切對(duì)光束質(zhì)量的影響
2. 系統(tǒng)說(shuō)明
3. 建模&設(shè)計(jì)結(jié)果
4. 總結(jié)
對(duì)于一個(gè)具有發(fā)散角的而激光激光器準(zhǔn)直系統(tǒng)的性能研究，可通過(guò)：
第一步 光線追跡評(píng)價(jià)以計(jì)算波前差
第二步 場(chǎng)追跡評(píng)價(jià)來(lái)檢查光束剪切產(chǎn)生的衍射效應(yīng)以及對(duì)光束質(zhì)量產(chǎn)生的影響
應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容
系統(tǒng)參數(shù)
1. 應(yīng)用實(shí)例的內(nèi)容
? BDS.0001，BDS.0002以及BDS.0003主要是關(guān)于一個(gè)折射型光束傳輸系統(tǒng)。
? 在該示例中分析了一個(gè)準(zhǔn)直透鏡系統(tǒng)。尤其對(duì)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)在孔徑處的光束切趾的影響進(jìn)行了研究
? BDS.0002和BDS.0003 探究的是光的聚焦。
2. 參數(shù)：非準(zhǔn)直入射激光束
3. 參數(shù)：準(zhǔn)直物鏡概述
應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容
仿真&結(jié)果
1. 光線追擊仿真起始點(diǎn)
2. 光線追跡：激光束仿真
3. 利用光線追跡進(jìn)行第一次系統(tǒng)評(píng)估
4. 光線追跡：2D方向點(diǎn)列圖
? VirtualLab可以為點(diǎn)列圖提供不同的顯示選項(xiàng)。
? 如，具有確定矢量方向光線的相鄰的X和Y分量(Sx,Sy)。
? 小尺寸比例說(shuō)明Sz分量近似于1，因此所有光線準(zhǔn)直性非常好。
5. 光線追跡：波前差檢測(cè)
? 專用的波前誤差檢測(cè)器可以讓你看到正比于為相差的所具有的光程差。
? 此外，探測(cè)器輸出的波前差RMS值為：～0.03λ
? 這也證明了準(zhǔn)直的成功性。
6. 場(chǎng)追跡：激光束仿真
7.
展開(kāi) RP 系列激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 光束質(zhì)量
光束質(zhì)量
激光束的光束質(zhì)量是激光束特性的一個(gè)重要方面。它可以以不同的方式定義，但通常被理解為在特定條件下(例如有限的光束發(fā)散度)激光束可以聚焦得多緊的度量。量化光束質(zhì)量最常用的方法是：
光束參數(shù)乘積(BPP)，即束腰處的光束半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)光束發(fā)散角的乘積。
M2 因子，定義為光束參數(shù)乘積除以具有相同衍射極限的高斯光束的相應(yīng)乘積。
BPP 或 M2 因子的低值意味著高光束質(zhì)量。
高光束質(zhì)量意味著平滑的波面(例如，整個(gè)光束剖面具有很強(qiáng)的的相位相關(guān)性)，這樣，用透鏡聚焦光束就能獲得波面為平面的焦點(diǎn)。擾亂的波面(見(jiàn)圖1)使光束聚焦更加困難，在給定光斑大小的情況下，光束發(fā)散會(huì)增大。
圖1：光束質(zhì)量較差的激光束。與理想的高斯光束相比，波陣面有些混亂，這使得光束更難緊密聚焦。
在衍射受限的高斯光束中，M2 可以獲得最高的光束質(zhì)量，其 M2 = 1。許多激光器都能接近這個(gè)值，特別是在單橫向模式下運(yùn)行的的固態(tài)體激光器(→單模工作)和基于單模光纖的光纖激光器，還有一些低功率激光二極管(特別是 VCSELs)。
展開(kāi) [NEWSLETTER] 用于激光大角度光束分束的超穎光柵
我們演示了如何在VirtualLab Fusion中構(gòu)建，建模和優(yōu)化此類光柵。
設(shè)計(jì)二維非旁軸分束超穎光柵
我們?cè)O(shè)計(jì)了用于光束分束的二維超穎光柵。在VirtualLab Fusion中構(gòu)造，分析和進(jìn)一步優(yōu)化了超穎光柵，特別是在衍射效率的均勻性方面。
超穎光柵的構(gòu)造–實(shí)例討論
根據(jù)選定的示例，我們展示了如何在VirtualLab Fusion中構(gòu)造和配置超穎結(jié)構(gòu)和材料。
For more information send a message to: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
[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(guò)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(guò)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(duì)光束特性的精確控制對(duì)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(píng)估對(duì)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(duì)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(kāi)口如何影響輸出光束質(zhì)量。
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