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真实多模激光的建模
时间:2015-10-23 13:46来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
作者:Daniel Asoubar(LightTrans)
相关文件:Tutorial_101.01,Snippet_028
需求:VirtualLab™5.11.1-基本工具箱
许可证:CC-BY-SA 3.0
 
摘要
 
1). 这个案例展示了如何在VirtualLab中对一个真实的多模激光源建模,如二极管激光器或受激准分子激光器。
2). 因此,首先我们需要对于一个真实的多模激光光源进行远场强度测量。
3). 基于远场强度的测量,通过参数优化(Parameter Optimization)来计算光源的最优模式的混合。
 
1. 建模任务
 
如何描述一个真实的多模激光以实际的方式发出光线?
 
2. 方法
 
1) 大多数有稳定激光腔的多模激光可以由不同拉盖尔(Laguerre)或厄米(Hermite)高斯模式以非相干加权求和的方式来描述。这意味着在数学上多模激光的发射场可以用下式表示:


上述数学式中 为拉盖尔(Laguerre)或厄米(Hermite)高斯模式的(n,m)阶, αnm为权重因子。这里n=0,1…,nmax以及m=0,1,…mmax。
 
VirtualLab™的参数优化(Parameter Optimization)可以从实际测量的光强分布计算模式权重αnm。
 
 
3. 在VirtualLab中的过程操作
 
在这一部分中,我们借助建模任务一章中所描述实例进行说明。
 
1) 评估最大模式阶数
 
对于厄米(Hermite)高斯TEM𝑛m模式,最大阶数nmax,mmax可以近似由实际测量的远场强度分布中延x方向和y方向的极大值的数量决定:

nmax=x方向上光强极大值的数量-1
mmax=y方向上光强极大值的数量-1
 
此例中:由下图光强分布计算出的nmax为3,mmax为0。
 
 

2)设置多模高斯光源



3) 设置优化函数
 
在设定优化函数时需要用到一个特殊的探测器:谐波场集的衍射光学优化函数探测器(Diffractive Optics Merit Function for Harmonic Fields set Detector)(Snippet 028)。这是一个可编程探测器(Programmable Detector)。
 
a.选择优化函数:双击此可编程探测器进入其编辑窗口。在此案例中,我们选择转换效率(Conversion efficiency)和信噪比(SNR)作为优化参数。因此在如图两项参数后输入1。
 


b. 导入实际测量的远场光强分布


4) 进行参数优化(Parametric Optimization)
 
VirtualLabTM的参数优化(Parametric Optimization)可以用来计算模式权重。
 
a. 打开参数优化
 

图1
b. 选择优化变量,即四个模式

图2
c. 目标值(转换效率和信噪比)(conversion efficiency和SNR)应该用以下方式指定:
 
-转换效率(conversion efficiency)=100%(目标值)
-信噪比(SNR)<测量信噪比(SNRMeasurement)(下限)。在这里测量信噪比(SNRMeasurement)是测量数据的信噪比。通常这个值受远场强度的测量精度影响。
 

图3

d. 使用下坡纯形法(Downhill Simplex)进行参数优化

图4

e. 运行后,得到目标方程值(Target Function Value) 收敛后的优化结果

图5
 
f. 通过显示光路图>显示优化结果(Show LPD>Show Optimized Results),优化的模式权重被写入到多模高斯光源中。单击运行(Run),得到优化好的结果:

图6
4.总结
 
VirtualLabTM允许模拟真实的多模高斯激光源。
 
从一个真实光源测量的远场强度分布,可以计算其模式权重:通过一个参数优化(Parametric Optimization)结合衍射光学优化函数探测器(Diffractive Optics Merit Function Detector)(Snippet 028)来实现。

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