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    [分享]FRED應(yīng)用說(shuō)明：相干光模擬 [復(fù)制鏈接]

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    只看樓主 倒序閱讀 樓主  發(fā)表于: 2020-12-02
    用于模擬相干性的FRED工具 ]JR2Av  
    ■ 相干光源 MTip4L W9  
    FRED包括許多默認(rèn)相干光源，包括：平面波、點(diǎn)光源和激光光束。一種詳細(xì)的光源菜單可以輕松、方便的自定義光源。 |%oI,d=ycv  
    ■ 高斯光線尺寸點(diǎn)列圖 ^[&,MQU{7  
    高斯光束可以在任何平面上顯示，顯示每個(gè)基準(zhǔn)光線和它的1/e2橢圓，便于光束發(fā)散度和采樣的分析和故障排除。 ~ o=kW2Y  
    ■ 光線狀態(tài)概要 :K~sazs7J  
    顯示每一光線的狀態(tài)，使其易于進(jìn)行故障排除和診斷光線的錯(cuò)誤。 9m.MGJbQ_f  
    ■ 相干場(chǎng)重新采樣 &+0?Xip{Z  
    對(duì)標(biāo)量場(chǎng)在空間上重新采樣可以避免相干光的錯(cuò)誤和表面的采樣不足。 e3mFO+  
    ■ 相干場(chǎng)分析 /|8rVYSs  
    顯示標(biāo)量或極化矢量場(chǎng)的幅度、能量、相位和波前圖。 O"X:3srJ`  
    ■ 波前計(jì)算 ]!]B7|JFJ  
    具有Zernike分解能力的波前分析和繪圖。 LJ6L#es2  
    ■ 部分相干性 ce [ Maw  
    對(duì)于特定的應(yīng)用，可以執(zhí)行部分相干光源和分析。 ~h:(9q8NLC  
    QHxof7  
    (tyky&$!  
    目錄 T`bUBrK6g`  
    vb| d  
    簡(jiǎn)介 f/QwXO-U  
    FRED基礎(chǔ)：相干性建模 -'F27])  
    鎖定FRED特點(diǎn)：相干場(chǎng)重采樣 gFd*\Dk  
    相干光源定義 8|(],NyEJ  
    高斯光線尺寸點(diǎn)列圖工具 ,^7] F"5  
    光線狀態(tài) "@^Q" RF  
    相干場(chǎng)重新采樣 @+0dgkJ  
    相干標(biāo)量場(chǎng)分析 wPX^P  
    FRED中部分相干性示例：衍射儀 Gr>CdB>~+  
     z9!OzGtIR  
    簡(jiǎn)介 CH#K0hi  
     hQ}_(F_H  
    模擬光線的相干特性非常意義的。當(dāng)用FRED模擬相干系統(tǒng)時(shí)，用戶應(yīng)該對(duì)FRED進(jìn)行相干計(jì)算的方法有一個(gè)大致的了解，它是利用高斯光束分解（GBD）的一種一般形式。本應(yīng)用描述了一些在使用FRED時(shí)基本的相干建模方法和注意事項(xiàng)，以及一個(gè)應(yīng)用于ThorLabs擴(kuò)束器的相干場(chǎng)重新采樣特性的一個(gè)示例，最后，衍射儀用于演示一個(gè)部分相干性模型。 ]j!pK4  
    A2ufET  
    /~Bs5f.]?  
    FRED基礎(chǔ)：相干性建模 JVGTmS[3  
    sjOv!|]A  
    FRED關(guān)于激光光束的追跡采用高斯光束分解技術(shù)（Gaussian beam decomposition，GBD）來(lái)傳輸相干場(chǎng)，最早由Arnaud 在1969年提出，是一組高斯光束子波(beamlet)可以合成任意的復(fù)數(shù)場(chǎng)。傳統(tǒng)的GBD方法局限在兩種極端情況下，一種是空間分解法，子波均勻分布在格子點(diǎn)上，另一種是傅里葉分解，根據(jù)空間頻率譜分解為在一個(gè)空間位置具有不同相位和方向的子光束。對(duì)此，Gabor對(duì)Arnaud的方法進(jìn)行了擴(kuò)展，并用在FRED中，允許這兩種方法結(jié)合起來(lái)以一種更加靈活的方式來(lái)拓寬使用條件。 peHjKK  
    lMH~J8U3  
    在FRED中，由高斯子光束的疊加來(lái)描述光的的傳播。中心的“Base”光線代表著子光束的傳輸軌跡，額外的二級(jí)“束腰”和“發(fā)散”光線記錄子光束參數(shù)的變化。子光束和它對(duì)應(yīng)的光線的關(guān)系如下圖所示。當(dāng)子光束經(jīng)過(guò)折射、反射和衍射，這些光線完全描述了該子光束特性，因此這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為“complex raytracing.”。在系統(tǒng)中的任何平面，通過(guò)確定在分析面上的每個(gè)位置處每個(gè)子光束的貢獻(xiàn)和對(duì)相位的比例來(lái)計(jì)算相干場(chǎng)。 Sl-9im1  
    KnKf8c  
    因?yàn)樗鼈兪歉咚剐偷�，子光束服從與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散半角θ和最小束腰半徑ω0有關(guān)的方程（其中λ是波長(zhǎng)，n是介質(zhì)的折射率）：
        (1)
    F2\&rC4v  
    子光束的半徑在傳播過(guò)程中變化，與束腰光線高度hw和發(fā)散光高度hd有關(guān)：
    (2)
    (S4HU_,88  
    @lq)L  
    其中光線高度相對(duì)于Base ray。 5dhy80|g]  
    #.!#"8{0_  
    為使模型變得精確，它們必須要保持高斯型并遵循近軸近似，這是相干光線追跡中最重要的考慮因素。嘗試在近軸限制之外操作高斯子光束傳播會(huì)使準(zhǔn)確性大打折扣。二級(jí)光線未能保持與它們的Base Rays好的相關(guān)性可能會(huì)導(dǎo)致相干光誤差和錯(cuò)誤的輻照度計(jì)算。 =av0a !  
    B;S'l|-?  
    雖然沒(méi)有精確的定義，近軸近似可以使用至少兩種形式描述： 。在這兩種情況中，對(duì)于 一個(gè)合適的選擇是0.1弧度，大約為6度。根據(jù)公式1，近軸近似最明顯的隱意是子光束的束腰半徑ω0必須大于等于3 。在實(shí)際使用中，用戶應(yīng)該考慮具有一定余量的操作，可能是5-10 。通過(guò)追跡二級(jí)光線并計(jì)算光學(xué)不變量H’nU - HnU’（其中H是光線高度，n是材料折射率，U是 ），F(xiàn)RED記錄了子光束的相位。如果對(duì)于一個(gè)給定的相干光線不變量超出了 ，則用于計(jì)算的光線會(huì)被告知無(wú)效。不變量作為一個(gè)內(nèi)部尺度，告訴了子光束的好壞程度。 Z\]{{;%4b7  
    j0j!oj)7I  
    當(dāng)定義好一個(gè)相干光源，F(xiàn)RED設(shè)置了一個(gè)光線網(wǎng)格，并使用網(wǎng)格間距 （這是網(wǎng)格的寬度 被穿過(guò)網(wǎng)格的光線數(shù) 劃分所得），和一個(gè)光束重疊因子（OF）來(lái)設(shè)置子光束的束腰半徑 ，如方程3和4所示。隨機(jī)光線網(wǎng)格不應(yīng)該被用于相干源，因?yàn)榫W(wǎng)格間距不均衡，將會(huì)產(chǎn)生不同的束腰半徑。對(duì)于網(wǎng)格寬度和光線數(shù)中的x和y值可單獨(dú)控制。在FRED追跡光線的點(diǎn)處，子光束的束腰半徑是：
      (3)
    B`t/21J  
    使用更常見(jiàn)的束腰半徑慣例增加了一個(gè)額外的因素，
      (4)
    xXc>YTK'  
    重疊因子是在網(wǎng)格上相鄰子束之間的部分重疊，并具有1.5的默認(rèn)值（很少改變）。因此，要保持 的近軸限制內(nèi)，對(duì)于可見(jiàn)光（λ=0.5 μm），網(wǎng)格間距應(yīng)該是 ，一個(gè)更加合理的范圍為5-10μm。 &CcW(-  
    [V>s]c<4`o  
    鎖定FRED特點(diǎn)：相干場(chǎng)重采樣 m)LI| v  
    C\