关于OpticStudio中POP(物理光学传播)的那些事

  • 18 April 2022
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欢迎大家的到来,期待大家的回复~~:cherries:

今天我们花点时间来认识下OS中的POP功能~

对于POP(物理光学传播),在知识库文章中有如下几篇文章,可以让大家快速入门,且解决80%的POP使用问题。当然,Zemax Community里也有很多POP相关的精彩讨论。

探索OpticStudio中的物理光学传播 – 中文帮助 (zemax.com)

如何在OpticStudio中模拟激光光束传播:第三部分 使用物理光学传播来模拟高斯光束 – 中文帮助 (zemax.com)

Using-Physical-Optics-Propagation-POP-Part-1-Inspecting-the-beams

Using-Physical-Optics-Propagation-POP-Part-2-Inspecting-the-beam-intensities

Using-Physical-Optics-Propagation-POP-Part-3-Inspecting-the-beam-phases

POP 中本质上传播的是每个采样点上具有 Ex/Ey 电场分布的传播矩阵,用于表征传播的光束波前,然后与系统中的各个光学表面进行相互作用。当光束传播到表面的时候,本质上会将波前分解成为 Probing Rays,计算这些 Probing Rays 传播过后的情况,从而对比初始 Probing Rays 计算出对应的 Transfer Function,结合表面位置的波前计算出传播该光学表面过后的结果波前。在这样的计算过程中,光学表面引起的像差、传播中的衍射效应等都可以考虑进入传播当中。

总结下,POP的过程就是定义初始光束 > 用Pilot Beam指导自由空间传播 > 用Probing Ray指导穿越光学界面 > 在指定位置读取光束能量和相位数据。下面一篇公众号文章也进行了很好的说明~

梳理一下Zemax POP的工作逻辑

 

🍇关于POP的使用场景

 

 

🍉POP VS. Huygens PSF

 

POP is really only ‘better than’ the PSF (either FFT or Huygens) if there are significant apertures that clip the beam.

The strength/weakness of POP is that it works surface by surface, rather than on the phase at the exit pupil. Huygens PSF calculates the beam amplitude by tracing rays through the system and only considers the diffraction at final step.

大家常常会将POP与Huygens PSF相比较,POP是surface by surface, 由面到面,计算了每个面和传播过程中引入的变化,从开始到结束;而Huygens 是只在最终出瞳处引入了衍射效应,其余都是以光线追迹的方式来计算。两种算法中针对衍射效应的考虑都是基于标量衍射理论。POP可相应采用角谱法或菲涅尔衍射。

POP的第二个P代表了propagation,光束传播,如果在光束传播过程中,没有需要考虑入最终结果的衍射效应,那么就不必使用POP, 这也是为什么我们有“Use Rays to Propagate to Next Surface”的选项。

POP工作时假设光束是近轴光束(paraxial), 也就是说光束发散角很小,以至于Ez可以忽略,只考虑了Ex/Ey 电场分布。如果光束发散角较大,POP就不适用,经验上当束腰小于等于波长的时候,我们就认为发散角太大了,可以选择使用Huygens PSF。

 

🍋POP准确性的保证

 

由于POP计算的复杂性,需要逐面查看Prop Report,检查是否有warning信息,并根据提示修改设置,保证结果的准确性。

以下图举例子,根据经验,如果Pilot beam采样少于6个像素时,你可能会开始看到这个 "Low sampling of pilot beam "的错误信息。通常情况下,增加采样点和减少点间距,以便有>6个像素用来对Pilot beam进行采样,将有助于消除错误信息。

 

🥝POP 结果混叠?

 

POP结果显示混叠,通常是因为采样原因。而POP除了不适用于光束发散角较大的情况外,对于处理下面这种像差大从而相位斜率变化大的场景也有困难,原因主要就是因为采样问题。

  • Fast beam(光束发散角大)
  • Steeply curved lenses with large aberrations

在这种仿真情境中,我们的设置有需要注意的地方,以下三篇文章给了非常好的说明~

Using-Physical-Optics-Propagation-POP-Part-1-Inspecting-the-beams

Using-Physical-Optics-Propagation-POP-Part-2-Inspecting-the-beam-intensities

Using-Physical-Optics-Propagation-POP-Part-3-Inspecting-the-beam-phases

除此之外,Community里有一篇关于Axicon使用POP非常精彩的case探讨,应该能够解决您的很多疑问:我用POP模擬Axicon失敗怎麼辦

主要可能相关的更改点如下:

🍅POP 处理GRIN lens问题

 

关于POP处理GRIN lens的问题,大家可以参考以下完整讨论。总结下,对于GRIN lens的处理,POP采取的处理策略跟Huygens PSF基本一致,建议采取Huygens PSF(相对POP来说不需要设置)

Huygens PSF or POP for GRIN lens design | Zemax Community

 

🍏ZBFSUM用来处理多POP结果叠加

 

如果需要叠加多个POP处理结果,可以采用ZBFSUM来进行,具体可参考如下文章。

How to sum POP beams coherently – Knowledgebase (zemax.com)

有点值得注意,默认POP的结果都是垂直于主光线Chief Ray面的,有些情况下可能需要在叠加前进行坐标调整~

 

今天的分享先到这,希望可以给大家提供一些灵感,下次见~🍬


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