FRED在激光光学系统中的应用
引言
FRED（Flexible Ray-tracing and Experiment Design）是一款强大的光学设计仿真软件，广泛应用于各种光学系统的设计和仿真。在激光光学系统中，FRED可以模拟激光的传播、聚焦、偏振、干涉等现象，帮助工程师和科研人员优化设计、验证性能和解决实际问题。本节将详细介绍FRED在激光光学系统中的应用，包括基本操作、高级功能和实际案例。
激光束的定义与仿真
定义激光束
在FRED中，定义激光束是激光光学系统仿真的第一步。激光束可以通过多种方式定义，包括高斯光束、平面波、球面波等。以下是定义高斯光束的步骤：
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创建光源：
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在FRED的主界面中，选择“Source”菜单，点击“Create Source”。
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选择“Gaussian Beam”作为光源类型。
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设置激光束参数：
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在光源属性窗口中，设置激光波长（Wavelength）、束腰半径（Waist Radius）、发散角（Divergence Angle）等参数。
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例如，设置波长为1064 nm，束腰半径为100 μm，发散角为0.5 mrad。
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放置光源：
- 将光源放置在光学系统中的合适位置，例如，放置在透镜前500 mm处。
仿真激光束传播
定义好激光束后，可以进行激光束的传播仿真。仿真步骤如下：
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设置传播路径：
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在FRED中，选择“Propagate”菜单，点击“Create Propagate Path”。
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设置激光束的传播路径，包括透镜、反射镜等光学元件。
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运行仿真：
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选择“Run”菜单，点击“Run Simulation”。
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FRED将计算激光束在各光学元件之间的传播路径和光强分布。
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分析结果：
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仿真完成后，可以使用FRED的分析工具查看激光束的焦点位置、光斑大小、光强分布等。
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例如，使用“Spot Diagram”工具查看激光束的聚焦效果。
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激光聚焦仿真
高斯光束聚焦
高斯光束通过透镜聚焦是激光光学系统中的常见现象。FRED可以精确模拟这一过程。以下是具体步骤：
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创建透镜：
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在FRED的主界面中，选择“Optical Element”菜单，点击“Create Lens”。
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选择合适的透镜类型，例如，平凸透镜（Plano-Convex Lens）。
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设置透镜参数：
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在透镜属性窗口中，设置透镜的焦距（Focal Length）、材料（Material）等参数。
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例如，设置焦距为1000 mm，材料为N-BK7玻璃。
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定义激光束与透镜的相对位置：
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将激光束光源放置在透镜前的合适位置，例如，500 mm。
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确保激光束与透镜的光轴对齐。
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运行仿真：
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选择“Run”菜单，点击“Run Simulation”。
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FRED将计算激光束通过透镜后的聚焦效果。
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分析结果：
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使用“Spot Diagram”工具查看激光束的聚焦效果。
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使用“Ray Trace”工具查看激光束的传播路径。
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代码示例
以下是一个简单的脚本示例，定义一个高斯光束并将其通过一个平凸透镜进行聚焦仿真。
# 导入FRED模块
import fred
# 创建激光光源
source = fred.create_source("Gaussian Beam")
source.set_wavelength(1064e-9) # 设置波长为1064 nm
source.set_waist_radius(100e-6) # 设置束腰半径为100 μm
source.set_divergence_angle(0.5e-3) # 设置发散角为0.5 mrad
source.set_position([0, 0, -500e-3]) # 将光源放置在透镜前500 mm处
# 创建平凸透镜
lens = fred.create_optical_element("Plano-Convex Lens")
lens.set_focal_length(1000e-3) # 设置焦距为1000 mm
lens.set_material("N-BK7") # 设置材料为N-BK7玻璃
lens.set_position([0, 0, 0]) # 将透镜放置在坐标原点
# 设置传播路径
propagate_path = fred.create_propagate_path()
propagate_path.add_element(source)
propagate_path.add_element(lens)
# 运行仿真
fred.run_simulation(propagate_path)
# 分析结果
spot_diagram = fred.get_spot_diagram()
print(spot_diagram)
ray_trace = fred.get_ray_trace()
print(ray_trace)
激光偏振仿真
定义激光偏振
激光的偏振状态在许多光学应用中非常重要。FRED可以模拟不同偏振状态的激光。以下是定义激光偏振的步骤：
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选择偏振类型：
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在激光光源属性窗口中，选择“Polarization”选项卡。
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选择偏振类型，例如，线偏振（Linear Polarization）、圆偏振（Circular Polarization）等。
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设置偏振参数：
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对于线偏振，设置偏振方向角（Polarization Angle）。
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对于圆偏振，设置旋向（Right or Left Circular）。
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仿真偏振变换
激光在通过不同光学元件时，偏振状态可能会发生改变。FRED可以模拟这些偏振变换。以下是具体步骤：
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创建偏振元件：
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选择“Optical Element”菜单，点击“Create Polarizer”。
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选择合适的偏振元件类型，例如，半波片（Half-Wave Plate）。
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设置偏振元件参数：
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在偏振元件属性窗口中，设置偏振元件的材料（Material）、快轴方向（Fast Axis Direction）等参数。
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例如，设置材料为石英（Quartz），快轴方向为45°。
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定义激光束与偏振元件的相对位置：
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将激光束光源放置在偏振元件前的合适位置，例如，100 mm。
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确保激光束与偏振元件的光轴对齐。
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运行仿真：
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选择“Run”菜单，点击“Run Simulation”。
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FRED将计算激光束通过偏振元件后的偏振状态变化。
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分析结果：
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使用“Polarization Analysis”工具查看激光束的偏振状态变化。
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使用“Intensity Distribution”工具查看激光束的光强分布变化。
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代码示例
以下是一个简单的脚本示例，定义一个线偏振激光束并将其通过一个半波片进行偏振变换仿真。
# 导入FRED模块
import fred
# 创建激光光源
source = fred.create_source("Gaussian Beam")
source.set_wavelength(1064e-9) # 设置波长为1064 nm
source.set_waist_radius(100e-6) # 设置束腰半径为100 μm
source.set_divergence_angle(0.5e-3) # 设置发散角为0.5 mrad
source.set_polarization("Linear", 0) # 设置线偏振，偏振方向角为0°
source.set_position([0, 0, -100e-3]) # 将光源放置在半波片前100 mm处
# 创建半波片
polarizer = fred.create_optical_element("Half-Wave Plate")
polarizer.set_material("Quartz") # 设置材料为石英
polarizer.set_fast_axis_direction(45) # 设置快轴方向为45°
polarizer.set_position([0, 0, 0]) # 将半波片放置在坐标原点
# 设置传播路径
propagate_path = fred.create_propagate_path()
propagate_path.add_element(source)
propagate_path.add_element(polarizer)
# 运行仿真
fred.run_simulation(propagate_path)
# 分析结果
polarization_analysis = fred.get_polarization_analysis()
print(polarization_analysis)
intensity_distribution = fred.get_intensity_distribution()
print(intensity_distribution)
激光干涉仿真
定义干涉条件
激光的干涉现象在许多光学应用中具有重要意义。FRED可以模拟激光的干涉现象。以下是定义干涉条件的步骤：
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创建多个激光光源：
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在FRED的主界面中，选择“Source”菜单，多次点击“Create Source”。
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选择相同类型的光源，例如，高斯光束。
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设置激光光源参数：
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在光源属性窗口中，设置各自的波长（Wavelength）、束腰半径（Waist Radius）、发散角（Divergence Angle）等参数。
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确保所有光源的波长相同。
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定义激光光源的相对位置：
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将多个光源放置在不同位置，例如，两个光源分别放置在x轴的±1 mm处。
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确保所有光源的光轴平行。
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仿真干涉现象
定义好干涉条件后，可以进行干涉现象的仿真。以下是具体步骤：
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设置传播路径：
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在FRED中，选择“Propagate”菜单，点击“Create Propagate Path”。
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将所有光源添加到传播路径中。
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添加干涉屏：
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选择“Optical Element”菜单，点击“Create Interferometer Screen”。
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设置干涉屏的尺寸（Size）、位置（Position）等参数。
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运行仿真：
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选择“Run”菜单，点击“Run Simulation”。
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FRED将计算多个激光束在干涉屏上的干涉图案。
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分析结果：
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使用“Interference Pattern”工具查看干涉屏上的干涉图案。
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使用“Intensity Distribution”工具查看干涉区域的光强分布。
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代码示例
以下是一个简单的脚本示例，定义两个相距1 mm的高斯光束，并通过干涉屏进行干涉现象的仿真。
# 导入FRED模块
import fred
# 创建第一个激光光源
source1 = fred.create_source("Gaussian Beam")
source1.set_wavelength(1064e-9) # 设置波长为1064 nm
source1.set_waist_radius(100e-6) # 设置束腰半径为100 μm
source1.set_divergence_angle(0.5e-3) # 设置发散角为0.5 mrad
source1.set_polarization("Linear", 0) # 设置线偏振，偏振方向角为0°
source1.set_position([-1e-3, 0, 0]) # 将光源1放置在x轴-1 mm处
# 创建第二个激光光源
source2 = fred.create_source("Gaussian Beam")
source2.set_wavelength(1064e-9) # 设置波长为1064 nm
source2.set_waist_radius(100e-6) # 设置束腰半径为100 μm
source2.set_divergence_angle(0.5e-3) # 设置发散角为0.5 mrad
source2.set_polarization("Linear", 0) # 设置线偏振，偏振方向角为0°
source2.set_position([1e-3, 0, 0]) # 将光源2放置在x轴1 mm处
# 创建干涉屏
interferometer_screen = fred.create_optical_element("Interferometer Screen")
interferometer_screen.set_size([100e-3, 100e-3]) # 设置干涉屏的尺寸为100 mm x 100 mm
interferometer_screen.set_position([0, 0, 1000e-3]) # 将干涉屏放置在z轴1000 mm处
# 设置传播路径
propagate_path = fred.create_propagate_path()
propagate_path.add_element(source1)
propagate_path.add_element(source2)
propagate_path.add_element(interferometer_screen)
# 运行仿真
fred.run_simulation(propagate_path)
# 分析结果
interference_pattern = fred.get_interference_pattern()
print(interference_pattern)
intensity_distribution = fred.get_intensity_distribution()
print(intensity_distribution)
激光光学系统优化
优化透镜参数
在激光光学系统中，透镜参数的优化是提高系统性能的关键步骤。FRED提供了多种优化工具，可以自动调整透镜参数以达到最佳聚焦效果。以下是具体步骤：
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创建优化任务：
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在FRED的主界面中，选择“Optimization”菜单，点击“Create Optimization Task”。
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选择优化目标，例如，最小化焦点位置的光斑大小。
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设置优化参数：
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在优化任务属性窗口中，选择需要优化的透镜参数，例如，焦距、材料等。
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设置参数的优化范围和步长。
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运行优化：
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选择“Run”菜单，点击“Run Optimization”。
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FRED将自动调整透镜参数，以达到优化目标。
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分析优化结果：
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使用“Optimization Results”工具查看优化后的透镜参数。
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使用“Spot Diagram”工具验证优化后的聚焦效果。
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代码示例
以下是一个简单的脚本示例，优化一个平凸透镜的焦距以最小化焦点位置的光斑大小。
# 导入FRED模块
import fred
# 创建激光光源
source = fred.create_source("Gaussian Beam")
source.set_wavelength(1064e-9) # 设置波长为1064 nm
source.set_waist_radius(100e-6) # 设置束腰半径为100 μm
source.set_divergence_angle(0.5e-3) # 设置发散角为0.5 mrad
source.set_position([0, 0, -500e-3]) # 将光源放置在透镜前500 mm处
# 创建平凸透镜
lens = fred.create_optical_element("Plano-Convex Lens")
lens.set_material("N-BK7") # 设置材料为N-BK7玻璃
lens.set_position([0, 0, 0]) # 将透镜放置在坐标原点
# 创建优化任务
optimization_task = fred.create_optimization_task()
optimization_task.set_target("Minimize Spot Size") # 设置优化目标为最小化光斑大小
optimization_task.add_parameter(lens, "Focal Length", 900e-3, 1100e-3, 50) # 设置焦距的优化范围和步长
# 设置传播路径
propagate_path = fred.create_propagate_path()
propagate_path.add_element(source)
propagate_path.add_element(lens)
# 运行优化
fred.run_optimization(optimization_task, propagate_path)
# 分析优化结果
optimized_focal_length = optimization_task.get_optimized_parameter_value("Focal Length")
print(f"Optimized Focal Length: {
optimized_focal_length} m")
spot_diagram = fred.get_spot_diagram()
print(spot_diagram)
激光光学系统中的噪声分析
定义噪声源
噪声分析是评估激光光学系统性能的重要部分。FRED可以模拟激光系统的各种噪声源，包括热噪声、散射噪声等。以下是定义噪声源的步骤：
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创建噪声源：
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在FRED的主界面中，选择“Source”菜单，点击“Create Noise Source”。
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选择合适的噪声类型，例如，热噪声（Thermal Noise）。
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设置噪声参数：
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在噪声源属性窗口中，设置噪声的强度（Intensity）、频率（Frequency）等参数。
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例如，设置噪声强度为1e-6 W/m²，频率为1 kHz。
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定义噪声源与激光系统的相对位置：
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将噪声源放置在激光系统中的合适位置，例如，透镜后100 mm处。
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确保噪声源的位置不会干扰激光束的主传播路径。
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仿真噪声影响
定义好噪声源后，可以进行噪声影响的仿真。以下是具体步骤：
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设置传播路径：
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在FRED中，选择“Propagate”菜单，点击“Create Propagate Path”。
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将激光光源、光学元件和噪声源添加到传播路径中。
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运行仿真：
-
选择“Run”菜单，点击“Run Simulation”。
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FRED将计算噪声对激光束传播的影响。
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分析结果：
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使用“Noise Analysis”工具查看噪声对激光束的影响。
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使用“Intensity Distribution”工具查看噪声影响下的光强分布变化。
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代码示例
以下是一个简单的脚本示例，定义一个热噪声源并仿真其对激光束传播的影响。
# 导入FRED模块
import fred
# 创建激光光源
source = fred.create_source("Gaussian Beam")
source.set_wavelength(1064e-9) # 设置波长为1064 nm
source.set_waist_radius(100e-6) # 设置束腰半径为100 μm
source.set_divergence_angle(0.5e-3) # 设置发散角为0.5 mrad
source.set_position([0, 0, -500e-3]) # 将光源放置在透镜前500 mm处
# 创建平凸透镜
lens = fred.create_optical_element("Plano-Convex Lens")
lens.set_focal_length(1000e-3) # 设置焦距为1000 mm
lens.set_material("N-BK7") # 设置材料为N-BK7玻璃
lens.set_position([0, 0, 0]) # 将透镜放置在坐标原点
# 创建热噪声源
noise_source = fred.create_noise_source("Thermal Noise")
noise_source.set_intensity(1e-6) # 设置噪声强度为1e-6 W/m²
noise_source.set_frequency(1000) # 设置噪声频率为1 kHz
noise_source.set_position([0, 0, 100e-3]) # 将噪声源放置在透镜后100 mm处
# 设置传播路径
propagate_path = fred.create_propagate_path()
propagate_path.add_element(source)
propagate_path.add_element(lens)
propagate_path.add_element(noise_source)
# 运行仿真
fred.run_simulation(propagate_path)
# 分析结果
noise_analysis = fred.get_noise_analysis()
print(noise_analysis)
intensity_distribution = fred.get_intensity_distribution()
print(intensity_distribution)
实际案例
激光聚焦系统优化
假设我们需要设计一个激光聚焦系统，用于将1064 nm的激光束聚焦到一个非常小的光斑上。我们将使用FRED来优化透镜参数，以达到最佳的聚焦效果。
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创建激光光源：
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在FRED的主界面中，选择“Source”菜单，点击“Create Source”。
-
选择“Gaussian Beam”作为光源类型。
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设置波长为1064 nm，束腰半径为100 μm，发散角为0.5 mrad。
-
将光源放置在透镜前500 mm处。
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创建透镜：
-
选择“Optical Element”菜单，点击“Create Lens”。
-
选择平凸透镜（Plano-Convex Lens）。
-
设置材料为N-BK7玻璃，初始焦距为1000 mm。
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将透镜放置在坐标原点。
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创建优化任务：
-
选择“Optimization”菜单，点击“Create Optimization Task”。
-
设置优化目标为最小化焦点位置的光斑大小。
-
选择需要优化的透镜参数，例如，焦距，设置优化范围为900 mm到1100 mm，步长为50 mm。
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-
设置传播路径：
-
选择“Propagate”菜单，点击“Create Propagate Path”。
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将激光光源和透镜添加到传播路径中。
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运行优化：
-
选择“Run”菜单，点击“Run Optimization”。
-
FRED将自动调整透镜参数，以达到优化目标。
-
-
分析优化结果：
-
使用“Optimization Results”工具查看优化后的透镜参数。
-
使用“Spot Diagram”工具验证优化后的聚焦效果。
-
代码示例
以下是一个完整的脚本示例，优化一个平凸透镜的焦距以最小化焦点位置的光斑大小。
# 导入FRED模块
import fred
# 创建激光光源
source = fred.create_source("Gaussian Beam")
source.set_wavelength(1064e-9) # 设置波长为1064 nm
source.set_waist_radius(100e-6) # 设置束腰半径为100 μm
source.set_divergence_angle(0.5e-3) # 设置发散角为0.5 mrad
source.set_position([0, 0, -500e-3]) # 将光源放置在透镜前500 mm处
# 创建平凸透镜
lens = fred.create_optical_element("Plano-Convex Lens")
lens.set_material("N-BK7") # 设置材料为N-BK7玻璃
lens.set_position([0, 0, 0]) # 将透镜放置在坐标原点
# 创建优化任务
optimization_task = fred.create_optimization_task()
optimization_task.set_target("Minimize Spot Size") # 设置优化目标为最小化光斑大小
optimization_task.add_parameter(lens, "Focal Length", 900e-3, 1100e-3, 50) # 设置焦距的优化范围和步长
# 设置传播路径
propagate_path = fred.create_propagate_path()
propagate_path.add_element(source)
propagate_path.add_element(lens)
# 运行优化
fred.run_optimization(optimization_task, propagate_path)
# 分析优化结果
optimized_focal_length = optimization_task.get_optimized_parameter_value("Focal Length")
print(f"Optimized Focal Length: {
optimized_focal_length} m")
spot_diagram = fred.get_spot_diagram()
print(spot_diagram)
总结
FRED是一款功能强大的光学设计仿真软件，适用于各种激光光学系统的仿真和优化。通过定义激光束、透镜、偏振元件和噪声源，FRED可以模拟激光的传播、聚焦、偏振和干涉等现象。使用FRED的优化工具，可以自动调整系统参数，以达到最佳性能。上述示例展示了FRED在激光光学系统中的基本操作和高级功能，为工程师和科研人员提供了一个强大的工具，帮助他们设计和验证复杂的光学系统。