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深圳海納光學有限公司
主營產品： 激光護目鏡，可飽和吸收鏡，衍射光學元件，光束整形器，太赫茲透鏡，太陽能模擬器，太赫茲相機，激光測量儀，離軸拋物面鏡，微透鏡陣列 |
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Zemax模擬衍射光學元件的激光光源建模
2020-7-20 閱讀(5046)
在通常情況下，光學模擬有助于研究人員的在搭建系統(tǒng)前就充分地掌握激光設備的效果，例如利用Zemax模擬勻化器就能知道工作面勻化光斑的能量分布和均勻性，模擬其它衍射光學元件也同樣能獲得輸出光斑的模擬結果。對于激光器的選擇，單模激光器已經取得了廣泛的應用，但也有許多工業(yè)激光器的M2在3到大約100的范圍內，通常被稱為“多模”或“部分相干”激光器。這些激光源包括多模光纖激光器，多模光纖耦合二極管激光器，準分子，多模固態(tài)激光器和VCSEL陣列。盡管它們在聚焦能力方面有一些缺點，但較高的M2激光器比單模激光器提供更高的功率，并且要求系統(tǒng)中光學元件的精度較低，因此多模激光器的應用也越來越廣，多模激光器的建模仿真已經刻不容緩了，推出一種對多模激光器的模擬仿真方法對目前的科技發(fā)展有著重要意義。本文，我們將首先討論激光的性質以及M2的定義。其次，我們演示了用于光線跟蹤模擬的新散射模型方法并顯示了結果。在后面一部分中，我們將進行具體案例研究，以展示該方法的有效性和局限性。
激光束的光束質量M2
激光束的光束質量或光束的“多模”狀態(tài)通常由M2項定義。這是一個簡化的數字，它考慮了三個激光參數，并根據光束大小和光束發(fā)散角度來定義，而不根據幅度和相位。在圖1中，我們顯示了統(tǒng)計上M2相同的一些相位和振幅分布圖示例。假設波長是恒定的， 可以通過更改光束大小和發(fā)散角來修改激光器的M2。
在衍射光學元件的模擬中，光束質量M2是一個非常重要的參數，M2數值的大小決定了激光器能匹配的DOE，例如有些激光器可以配合光束整形器，螺旋相位板，長焦深DOE使用，而另一些M2數值不同的激光器也許就只能配合勻化器、擴散器、多焦點DOE，衍射錐透鏡使用。
圖1演示共享相同M2的激光束幅度和相位的不同組合
為了更好地理解M2，我們考慮兩種情況：單模高斯光束，后跟理想負透鏡與光學擴散器。在這兩種情況下，光束的發(fā)散度和腰部直徑都可以相等，但是對于第yi情況，光束保持為單模，而對于第二種情況，光束變?yōu)槎嗄?。對?font color="#ff0000">第yi種情況，可以通過放置正透鏡輕松地減去透鏡的波前相位相加，并且激光將*變回單模。從理論上講，同樣可以對第二個示例執(zhí)行相同的操作，但是實際上，要找到消除散射效應的確切波前逆相位要復雜得多。
通過前面的推導，M2對光學系統(tǒng)性能的一般影響可以通過“不可重構”的任何波前相加來建模，即不與系統(tǒng)中的光學組件共享任何對稱性。
光學設計工具具有很好的覆蓋范圍，可用于使用幾何光線跟蹤進行建模和優(yōu)化。物理光學的工具開發(fā)較少，并且在限制計算機內存和時間消耗方面有極大挑戰(zhàn)。因此，建模M2的較佳解決方案是找到一種使用幾何光線跟蹤內核解決與物理光學相關的問題（例如光的復波表示）的方法。在下一節(jié)中，將基于射線源應創(chuàng)建不可重構的射線分布的見解，提出一些實現此目標的想法。
2.使用幾何射線追蹤對多模光束進行仿真建模：
幾何射線追蹤對多模光束進行仿真建模的基本思想是，應用與光學系統(tǒng)內所有其他光學部件不相關的波前形狀對光源進行建模。例如，如果光學裝置中的所有光學部件均為棱鏡，則可以通過施加球面波前來建模多模激光源。在光學裝置基于透鏡的情況下，則對于多模式激光器，可以使用具有棱鏡光焦度的波前，例如棱鏡陣列。棱鏡陣列或透鏡陣列是通用解決方案，適用于除具有多個陣列的系統(tǒng)以外的大多數激光系統(tǒng)。但是，由于控制單個射線的復雜性和有限的幾何形狀選項，一些使用陣列的標準優(yōu)化方法變得不夠。因此，數組不是一個好的建模選擇。
3.設計實例
3.1 Zemax™中的初始設置定義
像在任何激光光學系統(tǒng)設計中一樣，我們從定義常規(guī)屬性開始-波長，光圈值，鍍膜類型和鍍膜因子。
高斯化因子應定義為1，因為稍后將通過散射到Airy盤中來調整散度。接下來，插入一個標準曲面，并在“屬性”選項卡中，選擇“散射”，然后選擇一種特定的散射方法來描述角射線的分布和角度。在本文中，我們使用高斯散射類型，將“散射分數”（Scatter fraction）設置為1。在該開放光點圖上，修改造成光束發(fā)散的散射Sigma值，以使光點圖中的光線充滿艾里斑。該西格瑪值對應于單模M2 = 1。為了定義不同的M2值，我們將M2 = 1 的Sigma值乘以所需的M2我們要建模的值（例如，將sigma乘以10來建模M2 = 10）。
在圖3的左上方，我們顯示了具有簡單設置的Lens Data編輯器，其中包括近軸透鏡和散射窗口的界面。調整了散度以填充Airy磁盤的點圖在圖3的左下方顯示，作為參考的點圖在右下方沒有添加散射。我們看到，沒有散射，所有光線都到達單個幾何點，并且沒有描述真實的光斑大小。
圖3鏡頭數據編輯器示例在左上方，散布選項卡屬性在右上方。點狀圖，具有散射效果，由Airy圓盤包圍，左下方，無散射效果，右下方。
3.2通過近軸透鏡聚焦M2 值為1和10的單模激光束
在這里和接下來的示例中，我們使用了Holo / Or的光學計算器。
首先，重要的是要證明模型與理論值是一致的。為此，我們將比較腰部和距腰部瑞利長度處的光束大小，已知比率為
模擬參數：波長1064 nm，光束直徑6 mm，EFL 20 mm，切角系數4，光圈大小12 mm。
M2 = 1（高斯Sigma 0.8e-05） | M2 = 10（高斯Sigma 0.8e-04） |
在圖4中，我們在ZX平面中顯示了一個二維強度圖，以顯示新的焦點尺寸。白色虛線是理論上的光點大小，綠色虛線是與模擬的光點大小相關的。單模M2 = 1（左圖）和多模M2 = 10（右圖）的理論值和模擬值之間的計算差值小于2％，對于大多數應用而言，這已經足夠接近了。
M2 = 1（高斯Sigma 0.8e-05） M2 = 10（高斯Sigma 0.8e-04）
圖4在腰部位置附近使用散射法在ZX平面上的強度分布 白色和綠色虛線分別表示理論上和模擬上的光斑大小。對于M2 = 1（左），對于M2 = 10（右）圖像。
3.3使用標準三重態(tài)耦合器進行光纖耦合
對于光纖耦合效率分析，我們選擇了Thorlabs的Triplet準直儀模型（TC25APC-1064 – 1060 nm，f = 25.23 mm，NA = 0.25，FC / APC）。為了進行模擬，我們使用了直徑為6 mm的同一入射光束，其中M2 = 10，由散射和波長1064 nm定義。任務是檢查NA 0.22和纖芯0.1 mm的光纖的耦合效率。對于位置優(yōu)化，我們使用了IMAE操作數。
圖5利用散射效應對光斑進行幾何圖像分析，以通過三重態(tài)光學器件評估光纖耦合效率。左–對于M2 = 10的光束，右– M2 = 1
3.4雙合透鏡和單透鏡用于聚焦的比較
高度多模的光源對光學質量的敏感度較低，因為光學缺陷會被更強的光束質量光學效果所掩蓋。這些知識可以幫助節(jié)省不必要的光學質量投資。
在此示例中，我們將繼續(xù)使用相同的輸入參數，并將Thorlabs目錄中由高折射率玻璃（型號ACA254-030-1064）制成的空氣間隔雙重透鏡與一個簡單的平凸透鏡進行比較。兩個聚焦元件的EFL均為30毫米。調整系數設置為2.25，這對于高功率聚焦應用通常是為了防止光圈減小。
在圖6中，我們顯示了單模高斯源的點圖。左圖為單重態(tài)，右圖為雙重態(tài)。根據射線相對于Airy圓盤的分布（黑線圓），雙線態(tài)的性能比單線態(tài)更好（像差較?。?。
圖6具有30毫米EFL的鏡頭的光斑圖。左圖為單重態(tài)鏡頭，右圖為空距雙態(tài)。
在下一個圖7中，我們顯示了M2 = 1（左）和M2 = 10（右）的光束的幾何圖像分析。
對于M2 = 1，具有雙合透鏡的光點看起來不錯，并且相對于單模激光的衍射極限，光斑尺寸僅增加了20％，但是對于單透鏡，光斑尺寸幾乎是衍射極限的4倍。對于M2 = 10，情況*不同–雙峰和單峰的結果相同。在這種特定情況下，使用多模式激光器時，每次設置的價格經濟性可以達到幾百美元。
圖7聚焦光束的激光束強度分布圖 左– M2 = 1的單模激光器，右– M2 = 10的多模激光器。
* ZEMAX對于多模式耦合有自己的教程場景[11]。束模型中的散射概念已在此基準圖中得到了證實。
4.總結和結論：
我們提出了一種使用帶有附加角度散射的幾何射線跟蹤對真實光束建模的方法，以沿整個光路獲得真實的光束尺寸值。該方法特別適用于多模激光器的光學系統(tǒng)的設計。由于是幾何形狀，我們的方法在開發(fā)時間上比物理光學方法具有強大的優(yōu)勢，可用于任意多模光束。對于時間相干性，干涉和衍射效應很重要的情況，該方法具有局限性。
為了展示散射方法的功效，我們展示了一些基本示例，其中將該方法用于散焦分析，光纖耦合效率估計以及光斑尺寸和形狀的仿真。在大多數情況下，具有較高像差的光學元件可以被高M2的多模激光器接受。利用這種方法我們已經成功模擬了運用激光焊接的勻化器、寬帶散射片等多種DOE，如果你碰到Zemax衍射光學元件模擬的問題，歡迎與我們溝通。
