光学软件课程设计报告Word下载.docx

光学软件课程设计报告Word下载.docx

《光学软件课程设计报告Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学软件课程设计报告Word下载.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

二、设计原理

1、四波混频效应：

首先需要介绍四波混频基本理论：

当多束光在非线性介质中传输时，由于非线性作用将产生新的波长，根据发生作用的光波数目可分为:

三波混频（两个输入波长，一个输出波长）和四波混频（FWM三个输入波长，一个输出波长），其中三波混频也叫做简并四波混频，四波混频叫做非简并四波混频。

在接下来的讨论中，我们只使用简并和非简并四波混频这种表述。

当多束光在非线性介质中传输时，场对介质参量的改变，将会导致产生新的波长，新波长的相位和频率是几个输人光波的线性组合，因此，四波混频产生的光波可以保留信号光的振幅和相位信息，实现真正的与调制格式无关的透明波长转换。

一种半经典的无源介质中的简并四波混频可解释如下，两束入射光形成一个动态强度光栅。

非线性介质通过形成折射率光栅或载流子光栅来响应这种强度分布。

如果两束入射光频率不相同，则强度光栅是动态变化的，变化的频率就是两入射光频率之差。

两束入射光频率相同时会形成驻波光栅，如果介质的响应速度比该动态光栅的变换速度快得多，则该光栅就会起作用，其效率不会受到很大影响。

相反，则光栅的效率会降低。

第三束光通过此非线性介质时就会受到光栅的散射，产生闲频光（IdlerWave）。

如果这三束光中的其中之一携带信息，则闲频光就会带上相同的信息。

应该指出的是，我们没有办法区别出这三束光。

所以，如果两束波长不同的光入射到介质中进行四波混频时，会产生两种线性组合，产生两束闲频光的输出。

如下图所示。

两束输入光分别为信号光ωs和泵浦光ωp，产生的两束新波长频率分别为2ωp-ωs，2ωp-ωs，前者是泵浦光被折射率光栅散射的结果；

后者是信号光被折射率光栅散射的结果，二者的比值与泵浦光和信号光功率的比值相同，一般在20dB以上，由于两束光的强度相差很大，相对较弱的闲频光可以忽略。

该波长转换器的优点是变换速率高，对信号格式透明；

能同时变换多个波长，如一组WDM信号流等。

事实上，四波混频是诸多全波长转换中唯一能够提供对于一组波长信号同时进行转换的技术。

其不足之处是，由于四波混频效应是非线性参量过程，需要满足严格的相位匹配条件，这导致其转换效率低，波长转换范围小，对偏振较敏感。

使用opticsystem3.0软件可以根据上述原理对四波混频效应进行仿真，然后对仿真结果进行分析。

2、双胶合透镜优化设计：

双胶合透镜是一种常用的望远物镜，它结构简单、光能损失小，合理选择玻璃和弯曲能校正球差，慧差、色差和像差，但不能消除象散、场曲与畸变。

优化是光学系统设计过程中最重要的一步，一般来说初始结构的像质并不是很理想的，只有经过优化才能使光学系统的性能达到我们需要的状态。

通过初始设计的双胶合透镜像差不符合要求，所以要对其进行优化。

优化之前要进行两个必要的步骤：

要确定优化变量和选用评价函数。

理论上讲，透镜组的全部结构参数都可以作为优化变量参与优化，光学系统中影响像质的因素是曲率半径r，折射率n和厚度d。

三、实验日志：

星期一：

收集关于四波混频的资料，熟悉四波混频效应的工作原理和双胶合透镜优化的工作原理，并使用opticsystem3.0进行设计。

星期二：

进一步熟悉使用opticsystem3.0软件，对光学系统的设计更加熟悉。

星期三：

使用oslo软件对双胶合透镜进行设计。

星期四：

使用oslo软件对双胶合透镜进行优化设计。

四、实验步骤

根据实验原理所描述的原理进行四波混频效应的设计。

仿真设计如下：

在本设计中，我们使用了2个激光发生器，1个合波器，4个光谱分析仪，2个半导体光放大器和1个分波器。

他们的参数设置分别如上图所示。

用设计好的图纸做仿真。

对仿真的结果进行分析。

2、双胶合透镜设计并优化

（1）双胶合透镜设计

新建镜头文件

输入透镜光学特性参数

输入镜面数据

保存透镜数据

（2）双胶合透镜优化

打开透镜文件并另存

设置优化变量

设置误差函数

进行优化

五、实验结果与分析

从第一个光谱分析仪中我们可以看出从激光器输出的光波长频率为193THZ和193.1THZ，我们把这2个频率的光作为输入光输入到半导体光放大器中。

从第二个光谱分析仪中我们可以看出从半导体光放大器中输出来的光变成了四个。

除了原来有了193THZ和193.1THZ的光波还增加了192.9THZ和193.2THZ的光波，这是因为半导体光放大器的四波混频效应从而多生成了两个波，实际运用中，我们常用此现象来实现波长变换的作用。

从第三个光谱分析仪中我们可以看出从分波器出来的光波和经过半导体光放大器后的光的波长是一样的，然而这个光波长却变得比较平整。

从第四个光谱分析仪中我们可以看出由于半导体光放大器的四波混频效应，从而产生了更多频率的光波，然而主要的光波还是集中在192.9THZ、193THZ、193.1THZ和193.2THZ。

通过这个实验我们验证了四波混频效应，通过仿真和理论计算的结果进行比较我们可以发现仿真结果和理论计算的结果相差不大。

从而说明我们的仿真还是比较完善。

我对双胶合透镜所进行的优化是从透镜的像差着手进行的，从后面的数据中我们可以看出通过改变透镜的曲率半径、光圈大小和透镜的厚度都可以明显改善透镜的像差，从而提高透镜的成像质量。

综合考虑，我进行了三次优化，分别通过优化曲率半径、优化光圈大小和优化透镜的厚度来达到设计的目的。

双胶合透镜的原始最小RMS值为4.252773，像差值为-0.031841。

经过优化曲率半径后的最小RMS值为2.506337，像差值为-0.018681，经过优化透镜的厚度的最小RMS值为1.8，像差值为-0.17142，最后经过优化光圈大小得出了经过三次优化的透镜的最小RMS值为1.639445，像差值为-0.014059，显然我们得出了很好的效果使得仿真比较成功。

设计的结果如下：

原始双胶合望远物镜：

像差数据：

最小RMS误差：

光线焦点轨迹分析：

波阵面分析：

斑点分析：

PSF分析：

通过频率MTF分析：

通过焦点MTF分析：

第一次通过优化透镜的曲率半径后的双胶合望远物镜结果为：

系统的数据为：

第二次通过优化透镜的厚度后的双胶合望远物镜结果为：

系统数据为：

最小RMS误差;

第三次通过优化透镜的孔径后的双胶合望远物镜结果为：

像差数据为：

五、设计体会及收获:

通过连续一个星期光学软件的课程设计，我们对光学软件有了更进一步的了解。

这次实验使用了opticsystem3.0软件和OLSO软件进行设计。

由于对光学设计软件一点都不了解，所以在设计的过程中出现了很多问题。

从星期一开始我第一次接触到这个软件然后课后我自己摸索，终于一步一步的掌握了这个软件的用法。

但是我所学的只是这个软件的初步操作，更加深入的设计只能自己以后再逐渐学习。

刚开始在做这个设计时，我首先查阅了资料对所做的四波混频等的原理有了更进一步的理解。

然后在进行的设计，对整个课程设计也有了总体的轮廓，通过学过的知识以及做过的实验，最后有了圆满的结果。

通过本次课程设计我们学到了很多新的东西，极大地拓宽了知识面,锻炼了能力，综合素质得到较大提高，感到收获不小。

在设计过程中也发现了大量问题，有些在设计过程中已经解决，有些还要待今后慢慢学习，只要学习就会有更多的问题，有更多的难点，但也会有更多的收获。