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光行天下 -> SYNOPSYS -> SYNOPSYS 光學設計軟件課程三十：理解高斯光束 [點此返回論壇查看本帖完整版本]

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optics1210

2018-09-20 11:31

SYNOPSYS 光學設計軟件課程三十：理解高斯光束

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背景： Vy*&po[
激光器通常產(chǎn)生直徑非常小的光束，經(jīng)常用作各種光學系統(tǒng)光源。這種光束的強度是不均勻的，在理想情況下遵循高斯分布，因此而命名為高斯光束，且在大多數(shù)實際情況下以特有的方式偏離該分布。在設計和分析具有這種分布的系統(tǒng)時，必須考慮兩個問題：輪廓的形狀以及直徑非常小的光束在傳播時表現(xiàn)出強烈衍射效應。 +%yVW f
SYNOPSYS中的高斯光束 v.Fq.
作為一個適應性強的光學程序，，目標是在盡可能在不那么復雜的情況下獲得準確的結果。因此，該程序以新穎獨特的方式分析這種光束的特殊性質。 -"*UICd
主要問題是，如果光束直徑很小，衍射作用貫穿了整個光束的傳輸。另一方面，光線穿過普通透鏡，光束直徑遠大于光的波長，沿著直線進行非常好的近似，然后我們可以處理為光線了。高斯光束很難傳播一段距離后還保持光束直徑很小。光線的路徑（波前）是彎曲的，在光線追跡中需要特別注意。 />1Ndj
考慮以下系統(tǒng):

/JaCbT?*T
    RLE nsO!
    ID OBG DEMO :|%dV}j
    OBG .15 2 &E98&[`7
    UNI MM wk @-O}W
    WA1 .6328 8)I,WWj
    1    TH 50 QiDf,$t|,
    2    RD -2.55 TH 2 GTB S ~pM\]OC
    BK7 f n]rMH4>
    2    CAO 2 Z.9?u;
    3    CAO 2 -mD<8v[F
    3    RD -55 TH 100 CE :x;!}cd
    4    RD 100 TH 2 PIN 2 w]n ,`r^
    5    TH 50 UMC &S\q*H=}i
    4    CAO 10 <PBrW#:'
    5    CAO 10 v9Kx`{1L
    7 ^A9D;e6!-
    AFOC ^a9v5hu
    END

按照高斯光束的規(guī)則，物面被聲明為“OBG”類型，腰在表面1，半徑為0.15毫米。根據(jù)OBG線上的第三個詞，我們關心的是光線到達的點是1/e* 2的兩倍。上圖所示的邊緣光線來自于光束的那個點。在這個例子中，我們還包括了兩個簡單的透鏡，用來擴束和準直光束。
如果我們把表面1的波束精確準直，那么表面2上的光束大小等于于表面1的光束大小。但這是不正確的，因為衍射會在光束到達表面的時候放大光束。為了解釋這種影響，程序認為腰部的光束稍微彎曲，剛好使從表面1追跡到的真實光線與衍射的高斯光束以相同的角度接觸到表面2。從這點出發(fā)，我們可以用通常的光線追跡方法來處理衍射光束，前提是此處衍射是由最小孔徑引起的。
尋找一個光束追跡，它根據(jù)近軸高斯光束理論對光束的任意位置進行評估。

^Y mq<*X
    SYNOPSYS AI>BEAM fBgW0o.Bu
/SLAg&
     ID OBG DEMO                              33262            13-MAY-13   14:16:08 r >%reS
     GAUSSIAN BEAM ANALYSIS }1EfyR
a3o4> 9
     SURF    BEAM RADIUS  WAIST LOCATION    WAIST RADIUS      DIVERGENCE f? sW^d;
     ___________________________________________________________________ \U^0E> d
    1    0.150000 -7.5157030E-15       0.150000       0.001343 ^G5BD_
    2    0.164341      -7.368983       0.005965       0.022287 6.]x@=Wm
    3    0.208892      -6.563589       0.006332       0.031811 XhF7%KR
    4    3.389933    -357.899054       0.014036       0.009472 I]S8:w![
    5    3.408876   -2087.561971       3.406641  5.9127598E-05 Fi8'3/q-^
    6    3.408985   -2137.561971       3.406641  5.9127598E-05 Z1V%pg>]*
    7    3.408985   -2137.561971       3.406641  5.9127598E-05 FcR(uv<
    SYNOPSYS AI>

注意，由于衍射，表面2上的光束半徑大于表面1上的光束半徑。現(xiàn)在在光瞳點（0，.5）處追跡真實光線，該點位于1 / e ** 2點。

oBVYgv)
     SYNOPSYS AI>RAY P 0 0 .5 SURF g[P.lpi{U
WM8 Ce0E
     INDIVIDUAL RAYTRACE ANALYSIS vfW
yHvF"4]
     FRACT. OBJECT HEIGHT               HBAR      0.000000   GBAR      0.000000 /.leY$
     FRACT. ENTRANCE PUPIL COORD.        YEN      0.500000    XEN      0.000000 A]VcQ_e
     COLOR NUMBER                          1