真实多模激光的建模

cherryjhy · 发表于 2023-5-19 19:05:41

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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