logo资料库

zemax在序列模式下模拟LD.docx

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.99M 资料格式：docx 举报 版权申诉
第1页 / 共15页
第2页 / 共15页
第3页 / 共15页
第4页 / 共15页
第5页 / 共15页
第6页 / 共15页
第7页 / 共15页
第8页 / 共15页
资料共15页，剩余部分请下载后查看
    摘要：本文章將說明如何在序列模式中，用光線的模型來模擬 LD 光源。 作者：Michael Cheng 時間：June 16, 2017 前言 雷射二極體 (Laser Diode，以下簡稱 LD) 由於體積小、同調性、單色等優點， 十年來逐漸被應用在各種軍事或消費產品中。無論哪種 LD，其結構中一定都包 含一個主動層，雷射光便是從主動層中通過激發與共振的過程後出光。雖然主動 層也有材料、折射率等各種考量，但對於光學工程師來說，我們僅關心其出光的 型態如何在 OpticStudio 中模擬。 跟一般雷射不同的是，LD 的光束通常發散角度很大。對於一些主動層開口在側 面的類型來說，光束甚至不是圓形，而是橢圓的型態，且 X 與 Y 方向上焦點位 置不同，即所謂像散 (Astigmatism) 的特性。 雷射的出光形狀以及強度等結構，會跟主動層的設計有很大關係，雖然從波導理 論的角度來看，我們知道矩形的主動層並不會產生完美的高斯光束，但一般 LD 的光型結構跟高斯光束通常很接近 (能量較弱兩側略為可能不同)，因此常見的 方法是用高斯光束來模擬 LD，這也是本文要使用的方式。 以下我們將說明在已知 X 與 Y 方向散角下，如何以光線方式模擬高斯強度分布、 橢圓光束、以及像散 (Astigmatism) 等特性。 注意 1：此文章將說明如何在序列模式中用 “光線” 描述雷射光束。由於雷射為 高同調性光源，光束在傳播上干涉、繞射的效應強，而光線模型對於繞射效應的 模擬是有限的，非所有狀況適用。當繞射效應的影響很重要時，應該採用物理光 學傳播 (POP) 來模擬該系統。以下是幾種常見，可能光線模型不適用，須小心 對待的狀況。 1. 傳播距離長。雷射在瑞利距 (Rayleigh Range) 前後的行為可能有很大差異， 無法用光線精確預測。 2. 光束在系統中有被明顯遮蔽。同調光源在被遮蔽時，在孔徑邊緣會有強烈的 繞射，而讓光線後續傳播中，產生與光線預測不同的結果。 3. 尋找最小光斑位置。光線預測的最小光斑位置與繞射傳播預測的位置可能會 有不同。聚焦時的光點大小預測可能也會不同。 注意 2：此方法假設光束為單一模態，也就是高斯模態，超過一個模態以上，須 改用物理光學傳播模擬。 不考慮 Astigmatism 的模擬方法 沒有 Astigmatism 特性時，我們假設雷射二極體是點光源，帶有高斯的強度分布， 以及指定散角的橢圓分布。 現在讓我們先開新檔案，然後把物距改為 100，因為現在雷射是從物面出發的點 光源。 Click To
    Enlarge 讓我們先做一些簡單計算假設我們的二極體雷射在兩個方向上散角如下： X 方向的 FWHM 為 25° Y 方向的 FWHM 為 40° * FWHM 是 Full Width at Half Maximum，意思是光束在兩側的強度降到最大值 一半時的全體散角。 ** 注意每家產品目錄表示方法都不一樣，有的是 HWHM，也就是強度一半時的 半角，有些是 1/e^2 強度時的半角。要注意換算問題。 高斯函數中，FWHM 與強度為 1/e^2 時的 “半角” 的比值之計算方法如下： a = 0.8493218 * FWHM 因此可得： X 方向的 1/e^2 強度的半角為 25° × 0.85 ＝ 21.25° Y 方向的 1/e^2 強度的半角為 40° × 0.85 ＝ 34° 換算為 NA： X 方向的 1/e^2 強度的 NA 為 sin(21.25 degrees) = 0.362 Y 方向的 1/e^2 強度的 NA 為 sin(34 degrees) = 0.559 首先我們把系統孔徑型態 (Aperture Type) 設定為 Object NA，然後大小輸入較 大的 Y 方向 NA 0.559。 Apodization Type 設為 Gaussian，並且 Apodization Factor 設為 1。這會讓光束 的強度以高斯分布，並在半角 34 度的位置強度降到中心最大值的 1/e^2 倍。 這裡我們要用一個技巧，來把光束改為橢圓，用視場視窗中的 Vignetting 的設定
    來調整。原本 Vignetting 參數的功能是改變光束的大小，以讓光線可以完整通過 系統，目的是讓效率變高，或是解決一些因為光束被遮蔽產生的問題，例如說要 使用 Gaussian Quadrate 來優化系統，光束必須不能被遮蔽，否則無法正確計 算。關於 Vignetting 的更多資訊，請參考知識庫中的另一篇文章「如何使用漸暈 係數 (Vignetting Factors)」。 在這裡，我們單純要利用 Vignetting 參數的功能把光束在 X 方向上縮小，以模擬 橢圓光束。 因為 Vignetting Factor 是在入瞳座標上定義的，這裡需計算光束投影到平面上 時，半徑的比值： tan(21.25°) ＝ 0.389 tan(34°) ＝ 0.675 0.362 / 0.559 ＝ 0.576 因此如果在 Vignetting Factor 中輸入 VCX = 1 - 0.576 = 0.424，就可以產生一個 0.576：1 的橢圓形光束。 讓我們在 System Explorer > Field 中輸入如下的 Vignetting Factor： 目前為止的系統看起來如果下。 Click To
    Enlarge 讓我們確認看看距離光源 100 mm 位置的照度吧。 打開 Analyze Ribbon > Extended Scene Analysis > Geometric Image Analysis 分析功能 設定如下： * Field Size = 0，代表點光源。 * Image Size = 200，代表像面全寬為 200 mm。 * Source = Uniform * 取消勾選 Remove Vignetting Factors，這個設定不可忽略 * 勾選 Use Pixel Interpolation，讓顯示畫面平滑 Click To
    Enlarge 點擊 OK 按鈕後，可以看到如下圖的橢圓照度分佈。 Click To
    Enlarge 接下來看看 Y 截面的分布吧。 我們把設定改為如下： Click To
    Enlarge 可以看到如下結果，確實在 Y = 100 x tan(34°) = 67.5 時，其強度降到了 1/e^2。 Click To
    Enlarge 把 Image Size 改為 100，以及 Show 改為 X Cross，也可以看到確實在 X = 100 x tan(21.25°) = 38.9 時，強度降為 1/e^2。 Click To
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    行业

    共收录7266份资料，累计15个分类，关注成员有19位，主要包括：物流,旅游,餐饮零售,网络游戏,咨询,金融,电子政务,外包,教育,制造,医疗,嵌入式,互联网,交通,电信

    热门标签

    物流 旅游 餐饮零售 网络游戏 咨询 金融 电子政务 外包 教育 制造 医疗 嵌入式 互联网 交通 电信

    最新资料