作者：Daniel Asoubar（LightTrans）
相關(guān)文件：Tutorial_101.01，Snippet_028
需求：VirtualLab™5.11.1-基本工具箱
許可證：CC-BY-SA 3.0
摘要
1). 這個(gè)案例展示了如何在VirtualLab中對一個(gè)真實(shí)的多模激光源建模，如二極管激光器或受激準分子激光器。
2). 因此，首先我們需要對于一個(gè)真實(shí)的多模激光光源進(jìn)行遠場(chǎng)強度測量。
3). 基于遠場(chǎng)強度的測量，通過(guò)參數優(yōu)化（Parameter Optimization）來(lái)計算光源的最優(yōu)模式的混合。
1. 建模任務(wù)
如何描述一個(gè)真實(shí)的多模激光以實(shí)際的方式發(fā)出光線(xiàn)？
2. 方法
1) 大多數有穩定激光腔的多模激光可以由不同拉蓋爾（Laguerre）或厄米（Hermite）高斯模式以非相干加權求和的方式來(lái)描述。這意味著(zhù)在數學(xué)上多模激光的發(fā)射場(chǎng)可以用下式表示：
上述數學(xué)式中 為拉蓋爾（Laguerre）或厄米（Hermite）高斯模式的（n，m）階, αnm為權重因子。這里n=0，1…，nmax以及m=0，1，…mmax。
VirtualLab™的參數優(yōu)化（Parameter Optimization）可以從實(shí)際測量的光強分布計算模式權重αnm。
3. 在VirtualLab中的過(guò)程操作
在這一部分中，我們借助建模任務(wù)一章中所描述實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
1) 評估最大模式階數
對于厄米（Hermite）高斯TEM𝑛m模式，最大階數nmax，mmax可以近似由實(shí)際測量的遠場(chǎng)強度分布中延x方向和y方向的極大值的數量決定：
nmax=x方向上光強極大值的數量-1
mmax=y方向上光強極大值的數量-1
此例中：由下圖光強分布計算出的nmax為3，mmax為0。
2）設置多模高斯光源
3) 設置優(yōu)化函數
在設定優(yōu)化函數時(shí)需要用到一個(gè)特殊的探測器：諧波場(chǎng)集的衍射光學(xué)優(yōu)化函數探測器（Diffractive Optics Merit Function for Harmonic Fields set Detector）（Snippet 028）。這是一個(gè)可編程探測器(Programmable Detector)。
a.選擇優(yōu)化函數：雙擊此可編程探測器進(jìn)入其編輯窗口。在此案例中，我們選擇轉換效率（Conversion efficiency）和信噪比(SNR)作為優(yōu)化參數。因此在如圖兩項參數后輸入1。
b. 導入實(shí)際測量的遠場(chǎng)光強分布
4) 進(jìn)行參數優(yōu)化（Parametric Optimization）
VirtualLabTM的參數優(yōu)化（Parametric Optimization）可以用來(lái)計算模式權重。
a. 打開(kāi)參數優(yōu)化
圖1
b. 選擇優(yōu)化變量，即四個(gè)模式
圖2
c. 目標值（轉換效率和信噪比）（conversion efficiency和SNR）應該用以下方式指定：
-轉換效率（conversion efficiency）=100%（目標值）
-信噪比（SNR）<測量信噪比（SNRMeasurement）（下限）。在這里測量信噪比（SNRMeasurement）是測量數據的信噪比。通常這個(gè)值受遠場(chǎng)強度的測量精度影響。
圖3
d. 使用下坡純形法(Downhill Simplex)進(jìn)行參數優(yōu)化
圖4
e. 運行后，得到目標方程值(Target Function Value) 收斂后的優(yōu)化結果
圖5
f. 通過(guò)顯示光路圖>顯示優(yōu)化結果（Show LPD>Show Optimized Results），優(yōu)化的模式權重被寫(xiě)入到多模高斯光源中。單擊運行(Run)，得到優(yōu)化好的結果：
圖6
4.總結
VirtualLabTM允許模擬真實(shí)的多模高斯激光源。
從一個(gè)真實(shí)光源測量的遠場(chǎng)強度分布，可以計算其模式權重：通過(guò)一個(gè)參數優(yōu)化（Parametric Optimization）結合衍射光學(xué)優(yōu)化函數探測器（Diffractive Optics Merit Function Detector）（Snippet 028）來(lái)實(shí)現。
|
