Zemax光纖輸出光斑整形光源的選擇問題（非序列模式）018

自學案例匯編 018：光纖輸出光斑整形光源的選擇問題（非序列模式） 前面，我們已經(jīng)用序列模式（實際是混合模式）描述過光纖輸出光斑整形的例子，為何又要在非序列模式中再次描述呢？因為筆者在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，混合模式在某些情況下仿真的效果不佳。下面舉例來說明這個問題。 隨便舉個例子，如圖18幾個波長或者少幾個波長都沒關(guān)系），光纖作為非序列元件插入到序列模式中，纖輸出后經(jīng)消色差透鏡準直，再經(jīng)過一個柱面鏡和一個消色差透鏡聚焦成為一個橢圓形光斑。然后打開點列圖，查看光斑形狀。如圖18光線數(shù)目設(shè)置為不同的條件下，光斑形狀、幾何尺寸會有較大差異。有時候就會懷疑，光線數(shù)目到底多少是合適的，是否光線數(shù)目越多越準確呢？不過，光線數(shù)目太多的話，會影響顯示效果，刷新圖像時間比較長（切換一下窗口就會刷新），內(nèi)存小的話就比較討厭了。甚至有時候光線數(shù)目差異不大（奇數(shù)或偶數(shù)差異），但也會導致顯示效果差異明顯。于是，我們來看看完全在非序列模式下，仿真效果又會怎樣。 圖18光學組件列表（參數(shù)較多分段顯示） 者 出品 自學案例匯編 圖18點列圖離焦列表（光線數(shù)目7） 圖18點列圖離焦列表（光線數(shù)目79） 者 出品 自學案例匯編 圖18合序列模式） 為了減少麻煩，用不著重新在非序列模式中編輯所有組件；我們可以將上述例子直接轉(zhuǎn)換到非序列模式下。步驟為，主菜單彈出的對話框中，選擇要轉(zhuǎn)換的序列范圍，比如，這里是從到3，同時注意勾選to 定后即可轉(zhuǎn)換為非序列模式，透鏡元件都在。不過，你會發(fā)現(xiàn)，原來已有的非序列組件不能轉(zhuǎn)換過來，自動消失了。不過沒關(guān)系，重新編輯缺失的組件即可。如圖18加一個圓柱體（光纖）組件，再添加若干個探測器（方便自己觀察的位置即可）。 圖18非序列光學組件列表 接下來，我們來重點說一說光源的選擇問題。因為光源的選擇會明顯影響仿真的實際效果。 這里，我們需要一個發(fā)散型的光源，發(fā)散角基本要和光纖的數(shù)值孔徑相同，光源放在光纖前端入射端。非序列光源組件有多種類型可選，包括橢圓形光源導體光源些可設(shè)置發(fā)散角的光源是否都滿足要求呢，我們要看者 出品 自學案例匯編 看這些光源通過光纖組件之后輸出一段距離光線的分布情況和聚焦的情況。 我們首先選擇橢圓形光源在光纖輸入端。表面上看，橢圓形光源以分別設(shè)置兩個半軸長度，但實際也是無窮遠點光源。要設(shè)置光源的發(fā)散角，則需要改變發(fā)光源的位置，從無窮遠改為有限距離。 圖18橢圓光源參數(shù)設(shè)置 如圖18型置Z 圖光線數(shù)目析光線數(shù)目軸長度（相當于光闌）X 于光纖半徑），光源距離他參數(shù)默認即可。如此設(shè)置，光源距離和光闌尺寸的配合，后在光纖輸出端、測輸出光線分布情況，探測器像素500，尺寸要比預(yù)測光斑尺寸略大一些（一般2倍即可）。 設(shè)置完畢，打開3圖18見與圖18了繪圖光線均勻性的區(qū)別，非序列模式中繪圖光線為隨機分布方式，而序列模式中繪圖光線為均勻分布方式。 將圖像局部放大，觀察光纖輸入端和輸出端，注意光線是否有溢出或者發(fā)散角與設(shè)想的是否一致等等，分別如圖18為，筆者實測發(fā)現(xiàn)一個問題，減小光纖直徑，到一定程度之后，就會影響輸出端的光線數(shù)值孔徑，似乎一部分發(fā)散角大的光線被消去了，輸出的光線數(shù)值孔徑變小了。但是，這時如果將光纖長度縮短到一定程度后，輸出光線的數(shù)值孔徑又能恢復正常。這個問題具體是由什么原理、原因造成的，目前還不知道。也就是說，用這個圓柱體要注意直徑則丟失信息，讀者注意。 者 出品 自學案例匯編 圖18序列模式） 圖18序列模式） 者 出品 自學案例匯編 圖18序列模式） 接著，打開探測器觀察窗口，再打開光線追跡控制器，追跡所有探測器光線。這里，我們放置了兩個探測器，分別在光線輸出端口和光線聚焦位置。先看光纖輸出端的光線分布，如圖18纖輸出端附近的光斑形狀及光線密度分布情況，從圖上看，分布不是很均勻，但大體還是可以看出光斑整體輪廓效果；再切換到非相干模式下，如圖18們看到這時光線分布嚴重不均勻，甚至光斑輪廓都看不到了，這顯然已經(jīng)和實際經(jīng)驗相去甚遠了。 者 出品 自學案例匯編 圖18測器光線分析干模式） 圖18測器光線分析相干模式） 圖18測器光線分析干模式） 者 出品 自學案例匯編 圖18測器光線分析相干模式） 再看另外一個探測器，光線經(jīng)過透鏡光學系統(tǒng)整形聚焦后的光斑形狀和光線分布情況，相干模式和非相干模式分別如圖18樣，相干模式雖然分布也不均勻，但基本還能看出光斑輪廓為以橢圓光斑；而非相干模式下，光線分別很不均勻，看上去光斑形狀也不是橢圓形，而是一個變形了的菱形。于是，筆者懷疑光源的選擇和設(shè)置可能不太合理?？赡苁怯捎诠庠幢举|(zhì)還是一個點光源，即使通過光纖（圓柱體）后光線也沒能有效勻化所致。 那么，換一個光源類型，比如半導體光源圖18源類型選擇置Z 圖光線數(shù)目析光線數(shù)目散角配光纖數(shù)值孔徑），其他參數(shù)默認即可。如此設(shè)置，后同樣在光纖輸出端、測輸出光線分布情況，探測器像素500，尺寸要比預(yù)測光斑尺寸略大一些（一般2倍即可）。 更新3大觀察光纖入射端和輸出端的光線情況，分別如圖18見都還比較正常，沒有溢出光線，輸出發(fā)散角也比較合理。 者 出品 自學案例匯編 圖18半導體光源參數(shù)設(shè)置 圖18圖18者 出品 自學案例匯編 圖18測器光線分析干模式） 圖18測器光線分析相干模式） 者 出品 自學案例匯編 圖18測器光線分析干模式） 圖18測器光線分析相干模式） 清空所有探測器，再重新追跡所有探測器光線。光纖輸出端附近光線分布的相干模式和非相干模式分別如圖18線通過透鏡光學系統(tǒng)整形聚焦后的光線分布者 出品 自學案例匯編 的相干模式和非相干模式分別如圖18以看到，這與之前使用乎有一些改善，但是還是有明顯的分布不均勻現(xiàn)象，尤其是在非相干模式下。 從局部放大的3射光源實際還是類似于一個點光源，那么如果是一個面光源是否會更好一些？注意一下有一些選項沒有用到。 圖18半導體光源參數(shù)設(shè)置 如圖18以利用的參數(shù)還包括X、源寬度X、源分布高斯寬度X、當于束腰）都設(shè)為2，以及X、x、里，筆者也有些糊涂，有兩個超高斯因子參數(shù)（通常來說，其值越大越接近平頂分布），仔細看了看幫助文檔還是沒看懂，似乎是與散光它的值不為0時，只能使用前兩個超高斯因子參數(shù)，反之只能用后面的兩個。只能在過程中修改對比，來設(shè)定合適需要的值。 按照上述設(shè)置完畢，再更新3放大局部觀察光纖前端和輸出端的光線情況，分別如圖18以看到，輸出端沒有很明顯的變化，但入射端的光源已經(jīng)不再是點光源，看上去是一個面光源。至于是否與前述橢圓光源要看后續(xù)光線追跡的探測器分布情況。 者 出品 自學案例匯編 圖1818者 出品 自學案例匯編 圖18測器光線分析干模式） 圖18測器光線分析相干模式） 者 出品 自學案例匯編 圖18測器光線分析干模式） 圖18測器光線分析相干模式） 清空所有探測器，再重新追跡所有探測器光線。得到光纖輸出端附近的光斑形狀光線分布的相干模式和非相干模式分析圖分別如圖18以看出，相干模式和者 出品 自學案例匯編 非相干模式下光斑尺寸和光線分布的差異已經(jīng)小了很多，而且均勻性也好了很多，接近實際經(jīng)驗效果。而光線通過透鏡光學系統(tǒng)后聚焦附近的光斑形狀光線分布的相干模式和非相干模式分析圖分別如圖18樣可以看出，相干模式和非相干模式下光斑尺寸和光線分布的差異已經(jīng)小了很多，而且均勻性也好了很多，接近實際經(jīng)驗效果。 如果，你和筆者一樣，也搞不太明白么還可以使用自定義動態(tài)鏈接庫類型的光源目錄圖18樣放在光纖入射端，參數(shù)光纖略小）；A、B、為常數(shù)項、為四次項，作為均勻分布的話，B、E、圖18光纖光源參數(shù)設(shè)置 圖18者 出品 自學案例匯編 圖1818測器光線分析干模式） 者 出品 自學案例匯編 圖18測器光線分析相干模式） 圖18測器光線分析干模式） 者 出品 自學案例匯編 圖18測器光線分析相干模式） 設(shè)置完畢，然后重復前面的工作，更新3看光纖前后端光線分別情況，分別如圖18空所有探測器，重新追跡所有探測器，得到光纖輸出端附近和聚焦光斑附近光線追跡分析圖，如圖18光線追跡分析圖來看，和半導體光源18不多，甚至均勻性還更好一些。 另外，就是說可以去掉例子中的光纖模型不過為了更進一步體現(xiàn)實際情況才將其保留。讀者可以自己測試不用光纖模型再贅述。 唯一遺憾的是，聚焦后的光斑分析，相干模式和非相干模式的效果看上去差異還是比較明顯，即便我們已經(jīng)在系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)置了多波長，但似乎沒有什么作用。目前，筆者還不太清楚如何解釋或消除這種差異。那么，實際效果仿真是用相干模式還是非相干模式，得讀者自己斟酌了。 除此以外，根據(jù)這里的需求特性，還可以使用另外一種光源輻射光源據(jù)幫助手冊說明，輻射光源是一個平面，矩形或橢圓形，它發(fā)射光線進入一個半球。光線在這個半球的分布是關(guān)于局部過任意強度和角度數(shù)據(jù)的立方樣條擬合來定義。點的數(shù)目包含5到181之間的任意整數(shù)。角度范圍在指定的點數(shù)內(nèi)被等分。者 出品 自學案例匯編 每一點的數(shù)據(jù)是在光源遠場中與那個點相對應(yīng)的角度測出的相對強度。提供的數(shù)據(jù)與立方樣條吻合。從樣條擬合發(fā)出的光線將會跟隨遠場光源正確的分布。（是不是有點看不明白？） 輻射光源的好處是，可以自定義光線的角度分布密度，適合那種即不是均勻角分布也不是高斯分布的類型，舉個例子，比如典型的圖18然，不同的產(chǎn)品其角度分布密度曲線是不同的，有的大有的小，應(yīng)用場合不同。 圖18者 出品 自學案例匯編 圖1818光源類型改為置Z 意），繪圖光線數(shù)目為200，分析光線數(shù)目光面尺寸X 源發(fā)光角度的最小值大值合點數(shù)# 后會有10個參數(shù)數(shù)據(jù)需要輸入，即每個擬合點的相對值。假設(shè)0度點的相對強度I（為者 出品 自學案例匯編 0度點的相對強度I（0度點的相對強度I（0度點的相對強度I（0度點的相對強度I（0度點的相對強度I（0度點的相對強度I（0度點的相對強度I（0度點的相對強度I（0度點的相對強度I（他參數(shù)默認，察光斑強度分布。從3圖18如果將最大發(fā)光角度限制為60度，擬合點數(shù)仍然為10個點，且每個點的相對強度不改變，即假設(shè)0度點的相對強度I（度點的相對強度I（）3度點的相對強度I（0度點的相對強度I（6度點的相對強度I（3度點的相對強度I（0度點的相對強度I（6度點的相對強度I（3度點的相對強度I（0度點的相對強度I（他參數(shù)默認，從3圖18察光斑強度分布。上述兩種情況下的光斑強度分析圖分別如圖18見發(fā)散角不同，能量集中度也就不同。從探測器所接收到的總功率，也能看出發(fā)散角的影響和區(qū)別。 者 出品 自學案例匯編 圖1818在我們可以用在光纖入射端。主要參數(shù)設(shè)置為，位置Z 圖光線數(shù)目為200，分析光線數(shù)目光面尺寸X 源發(fā)光角度的最小值大值合點數(shù)# 后會有5個參數(shù)數(shù)據(jù)需要輸入，即每個擬合點的相對值。假設(shè)為均勻分布，即0度點的相對強度I（度點的相對強度I（度點的相對強度I（度點的相對強度I（2度點的相對強度I（他參數(shù)默認。從3別如圖18再重新追跡所有探測器光線，與前面的步驟相同，檢查每個探測器分析光線的情況。結(jié)果如圖18結(jié)果來看，光源類型是可以獨立使用的面光源類型，但并不能直接用作模擬光纖端面的光源，在形狀上有所區(qū)別。 需要說明的是，輻射光源圖18為他可以分別設(shè)置兩個軸的半寬；而者 出品