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深圳海納光學(xué)有限公司
主營產(chǎn)品： 激光護(hù)目鏡，可飽和吸收鏡，衍射光學(xué)元件，光束整形器，太赫茲透鏡，太陽能模擬器，太赫茲相機(jī)，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(xué)元件的激光光源建模
2020-7-20 閱讀(5050)
在通常情況下，光學(xué)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(shè)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(xué)元件也同樣能獲得輸出光斑的模擬結(jié)果。對于激光器的選擇，單模激光器已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，但也有許多工業(yè)激光器的M2在3到大約100的范圍內(nèi)，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(zhǔn)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(diǎn)，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(xué)元件的精度較低，因此多模激光器的應(yīng)用也越來越廣，多模激光器的建模仿真已經(jīng)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(zhì)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(jié)果。在后面一部分中，我們將進(jìn)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(zhì)量M2
激光束的光束質(zhì)量或光束的“多模”狀態(tài)通常由M2項(xiàng)定義。這是一個簡化的數(shù)字，它考慮了三個激光參數(shù)，并根據(jù)光束大小和光束發(fā)散角度來定義，而不根據(jù)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(shè)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(xué)元件的模擬中，光束質(zhì)量M2是一個非常重要的參數(shù)，M2數(shù)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(shù)值不同的激光器也許就只能配合勻化器、擴(kuò)散器、多焦點(diǎn)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(fù)透鏡與光學(xué)擴(kuò)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！τ?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(shí)際上，要找到消除散射效應(yīng)的確切波前逆相位要復(fù)雜得多。
通過前面的推導(dǎo)，M2對光學(xué)系統(tǒng)性能的一般影響可以通過“不可重構(gòu)”的任何波前相加來建模，即不與系統(tǒng)中的光學(xué)組件共享任何對稱性。
光學(xué)設(shè)計工具具有很好的覆蓋范圍，可用于使用幾何光線跟蹤進(jìn)行建模和優(yōu)化。物理光學(xué)的工具開發(fā)較少，并且在限制計算機(jī)內(nèi)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(nèi)核解決與物理光學(xué)相關(guān)的問題（例如光的復(fù)波表示）的方法。在下一節(jié)中，將基于射線源應(yīng)創(chuàng)建不可重構(gòu)的射線分布的見解，提出一些實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的想法。
2.使用幾何射線追蹤對多模光束進(jìn)行仿真建模：
幾何射線追蹤對多模光束進(jìn)行仿真建模的基本思想是，應(yīng)用與光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)所有其他光學(xué)部件不相關(guān)的波前形狀對光源進(jìn)行建模。例如，如果光學(xué)裝置中的所有光學(xué)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(xué)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(shù)激光系統(tǒng)。但是，由于控制單個射線的復(fù)雜性和有限的幾何形狀選項(xiàng)，一些使用陣列的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化方法變得不夠。因此，數(shù)組不是一個好的建模選擇。
3.設(shè)計實(shí)例
3.1 Zemax™中的初始設(shè)置定義
像在任何激光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)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(yīng)定義為1，因?yàn)樯院髮⑼ㄟ^散射到Airy盤中來調(diào)整散度。接下來，插入一個標(biāo)準(zhǔn)曲面，并在“屬性”選項(xiàng)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?jǐn)?shù)”（Scatter fraction）設(shè)置為1。在該開放光點(diǎn)圖上，修改造成光束發(fā)散的散射Sigma值，以使光點(diǎn)圖中的光線充滿艾里斑。該西格瑪值對應(yīng)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(shè)置的Lens Data編輯器，其中包括近軸透鏡和散射窗口的界面。調(diào)整了散度以填充Airy磁盤的點(diǎn)圖在圖3的左下方顯示，作為參考的點(diǎn)圖在右下方?jīng)]有添加散射。我們看到，沒有散射，所有光線都到達(dá)單個幾何點(diǎn)，并且沒有描述真實(shí)的光斑大小。
圖3鏡頭數(shù)據(jù)編輯器示例在左上方，散布選項(xiàng)卡屬性在右上方。點(diǎn)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(xué)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(shù)：波長1064 nm，光束直徑6 mm，EFL 20 mm，切角系數(shù)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(qiáng)度圖，以顯示新的焦點(diǎn)尺寸。白色虛線是理論上的光點(diǎn)大小，綠色虛線是與模擬的光點(diǎn)大小相關(guān)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(shù)應(yīng)用而言，這已經(jīng)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)三重態(tài)耦合器進(jìn)行光纖耦合
對于光纖耦合效率分析，我們選擇了Thorlabs的Triplet準(zhǔn)直儀模型（TC25APC-1064 – 1060 nm，f = 25.23 mm，NA = 0.25，F(xiàn)C / APC）。為了進(jìn)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(wù)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(shù)。
圖5利用散射效應(yīng)對光斑進(jìn)行幾何圖像分析，以通過三重態(tài)光學(xué)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(xué)質(zhì)量的敏感度較低，因?yàn)楣鈱W(xué)缺陷會被更強(qiáng)的光束質(zhì)量光學(xué)效果所掩蓋。這些知識可以幫助節(jié)省不必要的光學(xué)質(zhì)量投資。
在此示例中，我們將繼續(xù)使用相同的輸入?yún)?shù)，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(jìn)行比較。兩個聚焦元件的EFL均為30毫米。調(diào)整系數(shù)設(shè)置為2.25，這對于高功率聚焦應(yīng)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(diǎn)圖。左圖為單重態(tài)，右圖為雙重態(tài)。根據(jù)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（像差較小）。
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(diǎn)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(jié)果相同。在這種特定情況下，使用多模式激光器時，每次設(shè)置的價格經(jīng)濟(jì)性可以達(dá)到幾百美元。
圖7聚焦光束的激光束強(qiáng)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(zhǔn)圖中得到了證實(shí)。
4.總結(jié)和結(jié)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(shí)光束建模的方法，以沿整個光路獲得真實(shí)的光束尺寸值。該方法特別適用于多模激光器的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)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(xué)方法具有強(qiáng)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(yīng)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(shù)情況下，具有較高像差的光學(xué)元件可以被高M(jìn)2的多模激光器接受。利用這種方法我們已經(jīng)成功模擬了運(yùn)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(xué)元件模擬的問題，歡迎與我們溝通。
