摘要：用物理光学传播（POP）工具计算光束强度分布时经常会遇到一些问题，比如：取样不足，光束外围空白区域不足等等。本文我们将介绍如何解决计算光强分布时可能遇到的问题以及如何查看光束相位和相位有关的问题。

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介绍

用物理光学传播（POP）工具计算光束强度分布时经常会遇到一些问题，比如：取样不足，光束外围空白区域不足等等。本文我们将介绍如何解决计算光强分布时可能遇到的问题以及如何查看光束相位和相位有关的问题。

这一系列的文章一共有三篇，本文是其中的第三篇。在这三篇文章中，我们将通过一个例子来阐述如何正确使用POP。三篇文章的内容安排如下：

第一篇：讨论范例系统，介绍如何使用光束查看器（Beam File Viewer）。

第二篇：介绍如何查看光束强度以及与强度有关的问题。

第三篇：介绍如何查看光束相位以及与相位上有关的问题。

示例系统

在本系列第一篇文章中，我们可以使用光束查看器（Beam File Viewer）来查看范例系统中不同面上的光束情况。

图1：示例系统的布局图和透镜数据编辑器

这是因为在POP执行过程中，我们设定了储存光束文件，这样就我们可以在光束查看器中通过选择储存的不同光束文件来查看光束在系统中不同面上的分布情况。

检查相位数据

当前振幅的采样情况良好，接下来让我们检查相位的采样情况。一般来说，相位轮廓的变化速度更快，相较于光束强度轮廓，其采样难度更大。

透镜通常会在入射光束上引入二次相位变化。在OpticStudio软件中，相位图的绘制范围仅从-π到+π。若透镜所导致的相位变化超过了π，相位图上就会呈现出“相位包裹”的现象。例如，当实际相位为3π/2时，在相位图上会被显示为π/2。需要明确的是，相位包裹仅仅是一种绘图上的约定方式，它并不代表透镜引入到光束相位中的实际不连续性！

首先，在Beam File Viewer中查看透镜前表面（表面4）。表面4的强度分布如图2所示。

图2：第一个透镜前面表面4的强度分布

现在，我们可以要求光束文件查看器显示相位数据，而不是强度。

图3：设置Beam File Viewer以显示相位数据

生成的假彩色图像（如图4所示）看起来效果良好。不过，由于存在相位包裹现象，数据中出现了类似“外皮”的特征。但总体来看，这一阶段的所有部分似乎都经过了良好的采样。

我们可以通过查看横截面图来双重检查相位是否采样良好。（在Beam File Viewer设置中的“Show As”下，选择“Cross X”或“Cross Y”）图5显示了横截面。你可以看到，如果没有相位包裹，透镜引入的相位将具有平滑的形状，并且采样良好。（在这种情况下，相位的形状为r4，这是因为该透镜是一个包含r的四次方非球面项的非球面透镜。若是球面透镜，其相位形状则会是r2。）

重要的是，需要检查系统中的每一个曲面，从而确保在所有可能的情况下，相位都得到了良好的采样！

图4：表面4的相位，第一个透镜的前面。数据中的环是由绘制约定引起的，该约定会产生相位缠绕。

图5：第一个透镜前面表面4的相位横截面显示，透镜引入的相位采样良好。

大孔径系统

接下来我们看看大孔径时系统的相位分布，假设系统的数值孔径NA为0.2，焦距大概为40mm。系统的光圈值F/#为2.4。同样的，两个透镜的表面都为非球面以矫正球差。数值孔径NA为0.2就代表束腰半径为1.56micros。

图6：大孔径系统

按照图7的设置执行POP，并按照本系列第一篇文章提到的方法适当的调节透镜前后的取样。

图7：POP的设置。

在第一个透镜的前面，光束强度看起来正确且采样良好。但如果我绘制相位图，就会得到图8、9和10所示的模式。从中心向边缘看相位图中的第一层环还具有正确采样。但是随着半径增加相位变化加快外部的圆环出现了图像混叠，也就是此时的相位并没有被正确采样。图像混叠就是指相位变化很快但采样频率很低的情况下出现的奇怪的几何图形。这种图形不能代表透镜引入的真实的相位变化。