光学软件课程设计报告--四波混频效应仿真和双胶合透镜优化设计

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1、《光学软件》课程设计报告-17-一、设计题目——四波混频效应仿真和双胶合透镜优化设计1、四波混频效应仿真根据四波混频实验原理，设计并使用optisystem3.0软件进行仿真，然后根据仿真结果说明仿真效果的好坏。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。根据上述原理使用OSLO软件进行双胶合透镜的设计并对其中一种特性进行优化设计，使得双胶合透镜的参数比较理想。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

2、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

3、流子光栅来响应这种强度分布。-17-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

4、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-17-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

5、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

6、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。-17-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1、四波混频效应仿真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

7、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-17-（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1、四波混频效应仿真从第一个光谱分析仪中我们可以看出从激光器输出的-17-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