物理光學傳播 (POP) 是一種強大的工具，可用於對多種類型的雷射系統進行建模，並且是 OpticStudio 中唯一需要動手指導才能獲得正確結果的工具之一。本文介紹瞭如何正確使用 OpticStudio 中的物理光學傳播 (POP) 工具，該工具在自由空間中傳播電場。它引入了光束查看器，用於檢查光束在每個表面的相位和強度。這篇是可以在 Zemax 知識庫中找到的系列文章的一部分。

POP 使用標量繞射理論在空間中來計算傳播電場，這是由菲涅爾傳播過程的本征特性決定的，這一特性和快速傅立葉變換（FFT）相關，並且我們必須在高解析度和柵格寬度間尋求一個平衡，來滿足採集所有所需空間頻率資訊的需求。使用者在每一次進行物理光學傳播分析時運行時，都必須要仔細檢查分析的參數設置和結果。

光學物理傳播幫助檔案

在使用物理光學傳播之前，您應該閱讀 OpticStudio 幫助檔的 POP 訊息。為此，請到Help...System Help。在Contents部分下，到“"The Analyze Tab>Laser and Fibers Group>About Physical Optics Propagation,”，如下所示：

範本鏡頭檔

我們將評估的鏡頭檔如下所示；它是一個雙鏡頭系統。第一個透鏡准直光束，第二個透鏡聚焦光束。兩個鏡頭都是非球面單透鏡，帶有 r4 非球面項以校正球面像差。在光束的准直部分有一個小的中心遮擋。系統的波長設置為 1 um。

我們想將高斯光束發散到系統中，就像光纖饋送它一樣。在如下所示的系統選項 (System Explorer) 中，光圈類型設置為物件空間 NA，光圈值設置為 0.05。這對應於約 2.9° 的光束發散角和約 6.4 µm 的高斯束腰半直徑，使用以下等式。

儘管有這些設置，但必須注意佈局圖僅顯示幾何光線！佈局圖不是精確高斯光束的表示。

對於我們使用的範例系統，光線代表光束腰外位置處的高斯光束。如果我們不在焦點附近，我們可以使用足跡圖和其他基於光線的分析工具來交叉檢查 POP 結果。

初始 POP 結果

 到選 Analyze 標籤下的Physical Optics 選項來初始化 POP 分析。

要進入 POP 設置，請使用 POP 窗口左上角的向下箭頭。請注意，POP 分析不會從System Explorer中選取物件空間 NA；必須在 POP 中手動設置 NA。 System Explorer 中的 NA 僅控制幾何光線追跡。在 General 標籤下確保你的設定如下：

在 Beam Definition 下，選擇 Beam Type: Gaussian Waist 並設置對應於 0.05 的輸入光束 NA 的束腰尺寸，約為 6.36 mm。這對應於設置 Waist X/Y: 0.00636。我們還將採樣網格設置為 1024x1024 網格（X-/Y-採樣：1024）的密度，X-/Y-寬度為 0.1 毫米。

在顯示選項卡下，點選中Save Output Beam To：和 Save Beam at All Surfaces。這些選項在包含電場訊息的每個表面上創建一個 Zemax Beam (.zbf) 檔。

運行 POP 後，將顯示圖像平面上的光束輻照度。沒有任何明顯的問題可見；光束似乎採樣得很好，光束上有很多像素。輸出中沒有混疊或其他奇怪的假影。但是，如果我們切換到“Prop Report”選項卡，似乎存在一些潛在問題。表面 2 會出現“引導光束低採樣”警告。需要注意的是，由於 POP 計算的複雜性，我們必須始終檢查每個表面的光束訊息，以確保計算正確運行。

檢查光束檔

為了解決計算問題，我們需要查看保存在每個表面上的光束檔。從Analyze點擊Beam File Viewer打開Beam File Viewer。

在 Beam File Viewer 視窗的 Settings 下，有一個用於選擇的下拉選單來選擇 zbf 檔。每個檔案都以“00XX”結尾儲存，以指示光束檔代表哪個表面。沒有表面編號的文件位於圖像表面，與 POP 窗口中顯示的結果相同。

數據可以以多種方式顯示。我們將主要使用Data: Irradiance and Phase 顯示為False Color。也就是說，我們還將使用橫截面、對數圖和縮放功能。

您可以在 POP，第 2 部分：檢查光束強度中了解如何使用光束檔查看器檢查範例系統的光束輻照度分佈。

必須徹底檢查每個表面上每次 POP 運行的設置和結果。為了幫助您做到這一點，請確保在運行期間儲存每個表面的光束檔。然後，可以查看 Prop Report 選項以查找計算過程中產生的任何警告，並且可以使用 Beam File Viewer 檢查系統中每個表面的光束。

有一些知識庫文章解釋了該過程中的這些後續步驟。第 2 部分將介紹光束強度及其潛在問題，第 3 部分將研究光束相位及其潛在問題。

Blog 作者:
Kerry Herbert
Field Marketing Manager
Zemax, LLC

知識文章作者:
Erin Elliott
Solution Development Engineering Team Manager
Zemax, LLC