高斯光束分解
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
高斯光束分解的視頻教程
高斯光束分解的實(shí)例教程
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 錐透鏡常用來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)度分布為貝塞爾函數(shù)型的光束或者一個(gè)圓錐形的非發(fā)散光束。可以用于激光打孔/光學(xué)穿孔，光學(xué)捕獲，光學(xué)相干斷層掃描(OCT)，角膜手術(shù)，望遠(yuǎn)鏡等。本文以Throlabs AX2520-UV型號(hào)為例，來(lái)模擬將平面波入射光束轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)形輪廓。
模型
光線追跡使用相干光線追跡，F(xiàn)RED的相干光技術(shù)高斯光束分解技術(shù)，為了使圓錐表面中心點(diǎn)光線錯(cuò)誤最小，需要追跡大量的光線。本例中，我們使用201*201的格子光。
圖1. 平面波光源的設(shè)定
表1[1].幾何結(jié)構(gòu)規(guī)格設(shè)定
分析
環(huán)形輪廓圖我們選擇像平面處的照度圖、能量密度圖或標(biāo)量場(chǎng)查看，如下圖所示我們選擇FRED中的可視化視圖，具體操作可以參考[2]中的文章。
展開 其中包括平行平面波，點(diǎn)光源，高斯TEM00模式激光光束和像散高斯激光二極管光束。
光源特性也包括：
? 總功率
? 相干性（非相干或相干）
? 偏振態(tài)（非偏振或有特定屬性的偏振）
? 多波長(zhǎng)（明確定義或基于光譜定義）
? 復(fù)制陣列的位置
此外，用戶可以創(chuàng)建一個(gè)自定義的（Detailed Source）詳細(xì)光源，允許用戶控制光源的所有參數(shù)包括：
? 光線的位置
? 光線的方向
? 切趾功率和方向
詳細(xì)的光源還允許用戶從如LED制造商中導(dǎo)入光線文件。
為什么FRED這個(gè)特性非常有用：
簡(jiǎn)易光源類型允許用戶快速建立共同光源。詳細(xì)光源類型給予用戶靈活性來(lái)創(chuàng)造更少的共同性，自定義光束類型。
高斯光束分解
為什么FRED這個(gè)特性非常有用：
不是所有的光線追跡軟件都能夠模擬相干場(chǎng)的傳播。FRED可以做到。
通過(guò)采用GBD，F(xiàn)RED可以模擬激光系統(tǒng)，可以計(jì)算出干涉儀的干涉圖樣，邊緣衍射效應(yīng)，光纖耦合等。
基于模擬微米或納米尺度結(jié)構(gòu)的FDTD，BPM和EME等第三方麥克斯韋解算法技術(shù)，使用GBD允許可以允許其與FRED之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
高斯光束分解(GBD)是一種用在FRED中，允許通過(guò)光線追跡傳播相干場(chǎng)的技術(shù)。它第一次是在1969年由J.A.Arnaud提出。
為什么FRED這個(gè)特性非常有用：
不是所有的光線追跡軟件都能夠模擬相干場(chǎng)的傳播。FRED可以做到。
通過(guò)采用GBD，F(xiàn)RED可以模擬激光系統(tǒng)，可以計(jì)算出干涉儀的干涉圖樣，邊緣衍射效應(yīng)，光纖耦合等。
基于模擬微米或納米尺度結(jié)構(gòu)的FDTD，BPM和EME等第三方麥克斯韋解算法技術(shù)，使用GBD允許可以允許其與FRED之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
展開 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 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。本文也會(huì)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(lái)模擬激光光束傳播。聯(lián)系我們下載文章中的附件
簡(jiǎn)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(guò)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(guò)傳播相干波前來(lái)模擬激光光束傳播，因此允許對(duì)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(lái)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(zhǎng) 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(lái)描述光束寬度。
對(duì)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(wú)窮大，在 z = zR 處達(dá)到最小值 2 zR，當(dāng) z 趨于無(wú)窮時(shí)，半徑漸近于無(wú)窮大。
展開 
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高斯光束分解的最新內(nèi)容
概述
當(dāng)一束強(qiáng)激光入射到介質(zhì)中后，由于強(qiáng)光場(chǎng)與介質(zhì)的非線性作用，使得介質(zhì)的線性折射率上會(huì)疊加與入射光強(qiáng)相關(guān)的非線性折射率。當(dāng)入射光束的光強(qiáng)呈現(xiàn)空間上的非均勻分布時(shí)，由此引入的非線性折射率也是非均勻的，這將使不同空間位置的光所經(jīng)歷的光程長(zhǎng)度不同，即介質(zhì)對(duì)入射光束的作用等價(jià)于光學(xué)透鏡，從而導(dǎo)致光束的自行聚焦效果。
特別地，當(dāng)入射光束強(qiáng)度沿垂直光軸的界面內(nèi)呈高斯形時(shí)，且強(qiáng)度足夠產(chǎn)生非線性效應(yīng)的情況下
相干光的高斯子束模型
通過(guò)使用一個(gè)稱為高斯光束分解（GBD）的技術(shù)，可以在FRED中實(shí)現(xiàn)相干光的模擬。光場(chǎng)被分成獨(dú)立的高斯子束，相互之間是相干傳播的。每個(gè)子束由一組光線表示（圖1），主光線沿著子束的軸。八個(gè)二級(jí)光線包括：代表光束腰的四個(gè)正交二級(jí)束腰光線，和代表光束發(fā)散度的四個(gè)正交二級(jí)發(fā)散光線。
[NEWSLETTER] 用于光鑷的Ince高斯光束2個(gè)月前
光鑷是一種科學(xué)儀器，它利用高度聚焦的光束在亞微觀水平上操縱物體，可以用來(lái)抓取單個(gè)細(xì)胞或分子，因此在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和納米化學(xué)中有許多應(yīng)用。
為了確保這些設(shè)置的正常功能，所用光束在整個(gè)聚焦過(guò)程中需要具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。雖然多種不同的基本高斯模式，Hermite或Laguerre高斯模式是該任務(wù)的良好選擇，但Chu等人首先提出的設(shè)置[Opt. Express 16, 19934-19949(2008)]使用了
建模任務(wù)
熱透鏡效應(yīng)描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質(zhì)折射率的不均勻性。對(duì)于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表示為溫度和輸入功率的函數(shù)[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個(gè)案例展示了當(dāng)輸入功率變化時(shí)，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個(gè)例子發(fā)表在
摘要
熱透鏡效應(yīng)描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質(zhì)折射率的不均勻性。對(duì)于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表示為溫度和輸入功率的函數(shù)[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個(gè)案例展示了當(dāng)輸入功率變化時(shí)，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個(gè)例子發(fā)表在[H. Zhong
GLAD：高斯光束的吸收和自聚焦效應(yīng)5個(gè)月前
圖1.模擬示意圖
模擬結(jié)果
圖2.初始理想高斯光束光強(qiáng)分布
圖3.理想高斯光束的成像切片
圖4 介質(zhì)中存在吸收時(shí)理想高斯光束的成像切片
應(yīng)用一個(gè)熱透鏡對(duì)高斯光束聚焦8個(gè)月前
摘要
熱透鏡效應(yīng)描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質(zhì)折射率的不均勻性。對(duì)于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表示為溫度和輸入功率的函數(shù)[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個(gè)案例展示了當(dāng)輸入功率變化時(shí)，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個(gè)例子發(fā)表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am.
應(yīng)用一個(gè)熱透鏡對(duì)高斯光束聚焦9個(gè)月前
摘要
熱透鏡效應(yīng)描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質(zhì)折射率的不均勻性。對(duì)于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表示為溫度和輸入功率的函數(shù)[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個(gè)案例展示了當(dāng)輸入功率變化時(shí)，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個(gè)例子發(fā)表在
FRED案例展示：空間濾波器10個(gè)月前
②相干光的高斯細(xì)電子束模型
在 FRED 中對(duì)相干光進(jìn)行建模是使用一種稱為高斯光束分解 （GBD） 的技術(shù)完成的。光場(chǎng)被分成單獨(dú)的高斯子束，這些子光束相對(duì)于彼此進(jìn)行相干傳播。每個(gè)小光束都表示為一組光線（如圖1所示）。基礎(chǔ)光線沿子光束下的小光束的軸線追跡。其中包括八條次級(jí)光線：四條正交次級(jí)子光束部分光線代表束腰光線，四條正交次級(jí)子光束發(fā)散光線表示光束發(fā)散光線。
FRED運(yùn)用之錐透鏡的設(shè)計(jì)11個(gè)月前
模型
光線追跡使用相干光線追跡，F(xiàn)RED的相干光技術(shù)高斯光束分解技術(shù)，為了使圓錐表面中心點(diǎn)光線錯(cuò)誤最小，需要追跡大量的光線。本例中，我們使用201*201的格子光。
圖1.
