<![CDATA[讯技光电&黉论教育]]> <![CDATA[空间变化偏振的产生]]> VirtualLab Fusion最吸引人的功能之一是多学科光学系统的全矢量仿真。以马赫-泽德干涉仪为例，采用分束器、反射镜和透镜构成干涉仪的基本结构，在干涉仪的两个臂上插入偏振片，通过旋转偏振片产生空间变化的偏振态。既然我们讨论的是偏振片，有必要提到VirtualLab Fusion提供了一个超越Jones矩阵方法的非近轴模型。

空间变化偏振的产生


利用具有两个可旋转偏振片的马赫-泽德干涉仪，我们证明了空间变化偏振的产生。

倾斜偏振片后的斯托克斯参数


利用理想的非近轴偏振片模型，研究了偏振片与不同角度入射光波的相互作用，并用斯托克斯参数对结果进行表征。


]]> <![CDATA[GLAD：谐振腔的优化设计]]> 概述

利用GLAD的优化功能，谐振腔命令可以对谐振腔的各个参数进行优化设计。整个设计分为两个过程：首先，利用“resonator/test”和“resonator/set”命令对给定腔镜参数的谐振腔确定腔内本征模的尺寸。然后利用GLAD的优化功能针对特殊的谐振腔参数要求进行优化设计，从而得到对应的本征模式。
一旦确定了给定要求对应的本征模，利用其对应的高斯拟合本征模作为初始解就可以计算考虑衍射效应的实际横模分布。由于优化得出的本征模与实际的衍射解是非常接近的，因此迭代过程会收敛得非常快。

系统描述

本例重点展示了resonator以及optimization两个命令的使用。通过调整谐振腔两端腔镜的曲率半径设计出光束束腰为0.04cm的谐振腔。初始状态时两个腔镜的曲率半径是一样的，因此谐振腔初始状态是一个对称腔。“resonator/test”对建立的谐振腔进行测试，并计算ABCD传输特性，从而计算出初始本征模，并将其存储起来供optimization命令调用优化。

模拟结果

  
图1.对称腔衍射传输的迭代收敛过程，只经过了10次迭代就达到了收敛状态
]]> <![CDATA[光纤耦合装置的公差分析]]> 摘要

在现代光学中，光纤存在于各种光学系统中，能够将多少光耦合到光纤中一直是人们关注的问题。耦合效率对系统的对准十分敏感，特别是对于芯径相对较小的单模光纤。在本例中，我们选择了一个设计良好的光纤耦合透镜，并根据光纤末端位置的偏移和耦合透镜的倾斜等不同的容差因素来评估耦合效率。



建模任务



耦合效率与光纤末端位置偏移



耦合效率与耦合透镜倾斜



走进VirtualLab Fusion



VirtualLab Fusion的工作流程

 设置输入高斯场
- 基本光源建模 [教学视频]
 从Zemax文件加载光纤耦合透镜
- 从Zemax导入光学系统 [用例]
找出最佳工作距离
- 将光耦合成单模光纤的最佳工作距离 [用例]
或者在VirtualLab中优化您自己的透镜
- 光线耦合透镜的参数优化 [用例]
 使用Parameter Run扫描所关注的公差因素
- Parameter Run的使用文件 [用例]

VirtualLab Fusion技术



文件信息


]]> <![CDATA[非球面透镜的聚焦点研究]]> 摘要

高功率激光二极管通常在两个方向之间显示出不对称的发散和像散。例如，激光二极管首先由物镜准直，然后由非球面聚焦，在VirtualLab中研究了镜头聚焦区域的演化。与没有像散的情况相比，清楚地呈现了像散对聚焦区域的影响。





建模任务



使用光线追迹进行系统分析



研究焦平面


研究焦平面（无像散）



研究焦平面（有像散）



文件信息



]]> <![CDATA[焦距区域和光纤耦合容差]]> 用于将光耦合到单模光纤的光学系统的详细分析和设计依赖于焦距区域中场的精确计算。在VirtualLab Fusion中，可以在例如焦距区域的任意平面上和纵向区域内计算电磁场信息。这为随后的光纤耦合效率计算奠定了坚实的基础。灵活的焦距区域分析能进一步对光学系统中光学部件的失准进行容差分析。

非球面透镜后的焦点研究

先把具有不对称发散和像散的激光二极管进行准直，然后使光聚焦。详细研究了聚焦区域中场的演变。

光纤耦合设置的容差分析

在光纤耦合光学装置中，分析耦合效率的容差因素，例如光纤末端位置的偏移和透镜的倾斜。
]]> <![CDATA[GLAD：带有反射壁的空心波导]]> 概述

离散傅里叶变换的混叠效应为带有反射壁的空心波导的建模提供了一个便捷的方法。反射壁可以将光返回到光路中而混叠效应将使溢出光场从反方向折回到采样光场中。如果光场分布是一个偶函数，那么折回的作用就如同反射效果。我们可以将任意形状的光场分布转化成偶函数，只要将光场对应的矩阵放在一个两倍大小矩阵的左上象限，然后再将其它三个象限的矩阵用左上象限矩阵的镜像进行填充。这样整个矩阵就表征了一个偶函数。利用该偶函数的混叠效应就可以正确地对反射壁进行建模。

系统描述

本例重点展示了copy以及flip两个命令的使用。当光束偏心且倾斜入射到波导中时，入射光束会在波导的反射壁上依次反射，光束的分布会随着反射次数和衍射效应逐渐变化。

图1.模拟示意图
模拟结果

  
图2.初始平顶光束分布，其中包含倾斜因子

图3.光束向右上角传输遇到了右侧的反射壁

  
图4.光束正从右侧反射壁离开向顶部反射壁传播

图5.光束从顶部反射壁反射出来

图6.光束从顶部反射壁反射后向左侧反射壁传播

图7.光束完全离开顶部反射壁向左侧反射壁传播

图8.光束遇到左侧反射壁

图9.光束正从左侧反射壁离开向底部反射壁传播

图10.光束正从底部反射壁离开向初始位置传播

图11.光束到达初始位置，但是已经显著展宽，使得其已经碰到了右侧的反射壁
]]> <![CDATA[纳米柱阵列超颖表面构建模块的严格分析]]> 摘要

利用先进的制造技术，人们成功实现了具有高数值孔径的可见波长的超透镜。通常使用空间变化的纳米结构作为模块来构建超透镜。在这个例子中分析了用于组成偏振不敏感超透镜的纳米柱状结构。利用傅立叶模态方法（FMM，也称为RCWA），严格计算这种纳米柱的振幅和相位传输。



建模任务



纳米柱分析vs柱子直径



纳米柱分析vs柱子直径



附录：TiO2的折射率



图表来源于R. C. Devlin, M. Khorasaninejad, W.-T. Chen, J. Oh, F. Capasso, arXiv:1603.02735 (2016)

VirtualLab Fusion视图



VirtualLab Fusion工作流程

 构造光栅结构
- 使用界面配置光栅结构[用例]
- 使用特殊介质配置光栅结构[用例]

 分析光栅衍射效率
- 光栅级次分析器[用例]

 使用参数运行检查特定参数的影响
- 参数运行文档的用法[用例]

VirtualLab Fusion技术



文件信息


]]> <![CDATA[超颖表面构建模块]]> 超透镜和超颖表面因其操纵电磁场的独特特性而在科学上声名鹊起。由于最近纳米制造技术的进步，其加工制造也变得可行。超颖表面设计的一个关键步骤是找到组成表面的适当的构建模块。利用VirtualLab Fusion中的傅里叶模态方法(FMM，也称为RCWA)，可以对这样的纳米结构进行严格的分析，并获得完整的电磁信息。以不同直径纳米柱阵列为例，对其性能进行了评价。

纳米柱阵列超颖表面构建模块的严格分析


采用严格的傅里叶模态方法(FMM)，着重分析了具有不同直径纳米柱阵列结构超透镜的相位调制效应

二维周期光栅结构的配置


在VirtualLab Fusion中，可以使用所谓的堆栈来配置复杂的3D光栅结构。 本示例着重讲解具有二维周期性的光栅结构的配置。

]]> <![CDATA[色温及其相关参数]]> 理想的实际光源是黑体。输出的光谱变化非常平稳，完全由温度决定。因此，黑体光源的质量可以通过简单地说明其温度来指定，如图1所示。
图1.几种不同黑体光源的相对输出。与正常情况一样，曲线在560纳米处被标准化为100。


不幸的是，对于其他类型的光源来说，它并不那么简单。最终，光谱分布是决定光源质量的因素，但这涉及大量数据。一种非常有用的技术是将光源与黑体进行比较。
如果光源的光谱在可见光区域的任何地方都与给定黑体的光谱输出成比例，那么说明黑体温度就足够了。这种温度称为Distribution Temperature。光源的色度坐标将与黑体的色度坐标完全匹配，所有颜色测量将产生完全相同的值。
这种色度坐标位于Planckian Locus上，如图2
图2.显示从1000K到7000K的普朗克轨迹的色度图

有许多光源，如放电灯，虽然光谱分布与黑体相当不同，但色度坐标位于普朗克轨迹上。相应的黑体温度被称为光源的色温。然而，色度坐标与轨迹上某一点的精确对应是不常见的。通常情况下，点接近但实际上不在轨迹上。在这种情况下，使用与光源最接近的颜色的黑体的温度，并称为相关的色温，在软件中缩写为CCT。相关色温通常用开尔文测量。
注意，特定的相关色温不保证使用光源的任何颜色测量必然对应于使用相同温度的黑体光源的颜色。
我们如何得出相关的色温？CIE 1960（u，v）-图是一种尝试，在一个统一的色度标度，在图中的任何地方，任何两点之间的感知色差都与它们之间的距离成正比。当普朗克轨迹绘制在（u，v）-图中时，光源和黑体之间的最小感知色差将对应于从轨迹到点的垂直方向。因此，垂直于普朗克轨迹的线称为等温线。这些等温线可以在（x，y）-色度图（图3）中复制，但是，当然，它们不再垂直于轨迹。Macleod中用于计算相关色温的技术使用（u，v）-图，基于Wyszecki和Styles（Wyszecki, Günter and W S Styles, Color Science. 2nd ed. 1982, New York: John Wiley & Sons）中的描述。请注意，尽管CIE 1960（u，v）-图已被1976（u’，v’）图取代，但为了确保连续性，CIE决定保留（u，v）-图用于相关色温计算。这些差别都不大。
图3.在（x，y）-图中绘制的等温线

图4和图5用一个彩色校正滤光片说明了这一点，该滤光片设计用于将3000K黑体源转换为3300K的色温。在2500K到6500K的范围内，校正几乎恒定在-30rmk，如图7所示。
图4.彩色校正滤光片的透射比，设计用于将3000K黑体特性转换为3300K。这相当于在RCCT（Reciprocal Correlated Color Temperature）下-30rmk（Reciprocal Megakelvin）的变化。

图5.一系列黑体光源在有色温校正滤光片和无色温校正滤光片的情况。几乎恒定在-30rmk
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]]> <![CDATA[菲索光学测试干涉仪]]> 摘 要

斐索干涉仪是工业中常见的光学计量设备，它们通常用于光学表面质量的高精度测试。 借助VirtualLab Fusion中的非顺序追迹，我们构建了一个菲索干涉仪，并利用它测试了不同的光学表面，例如圆柱形和球形。 可以看出，产生的干涉条纹对表面轮廓具有敏感性。

建模任务



倾斜平面下的观测条纹



圆柱面下的观测条纹



球面下的观测条纹



VirtualLab Fusion 视窗



VirtualLab Fusion 流程


      
VirtualLab Fusion 技术



文件信息



]]> <![CDATA[马赫-曾德尔干涉仪]]>

干涉测量是一种光学计量的重要技术。 它被广泛应用于表面轮廓，缺陷，机械和高精度热变形等领域的测量。 作为一个典型的例程，在非序列场追迹的帮助下，我们在VirtualLab Fusion中建立了具有相干激光源的马赫-曾德尔干涉仪，本案例清楚地展示了光学元件的倾斜和移位对干涉条纹图案的影响。

建模任务


元件倾斜引起的干涉条纹


元件移位引起的干涉条纹


文件信息


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]]> <![CDATA[干涉光学测试]]>
用于光学测试的菲索干涉仪

利用非序列场追迹技术建立了菲索干涉仪，给出了不同测试表面的干涉条纹。
马赫-曾德尔干涉仪


我们在VirtualLab Fusion中构建了马赫-曾德尔干涉仪，并演示了元件的倾斜和偏移对干涉条纹的影响。

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]]> <![CDATA[FRED中全息元件的建模]]>

简单2点HOE：

图1.两个结构光与全息表面，每个点都会发出一个球面波，在全息表面形成干涉

指定结构光的位置

图2.在表面的局部坐标系中给出的坐标。衍射级数是明确的。
图3.从结构光1追迹光线

为什么光线在结构光＃2处不能完美聚焦？因为入射波通过HOE的玻璃厚度是有畸变的。

图4.从结构光#2追迹光线

为什么光线在结构光＃2处不能完美聚焦？因为入射波通过HOE的玻璃厚度是有畸变的。

图5.从结构光#1追迹光线，两个衍射级次
图6.添加相位
图7.多色光线追迹

最初的HOE设计波长为0.5876um，作为一个衍射元件，会出现大量的色差。在本例中，光源包含3个波长：0.486、0.587和0.656 um。

 一般来说设计者会在ZEMAX和CODE V中设计HOE的结构

 FRED可以读取CODE V和ZEMAX的光学元件并精确地创建HOE，因此大多数用户实际上从未手工输入系数。（Zemax和Codev对HOE的描述不同，但FRED知道如何正确地解释元件。）

]]> <![CDATA[电磁场与纳米圆柱体的相互作用]]> 摘要

电磁场和光的波长尺度的纳米结构的相互作用必须使用严格的Maxwell求解器进行研究。通过将完美匹配层（PML）技术与傅立叶模态方法（FMM）相结合，可以在VirtualLab Fusion中对非周期性纳米结构进行建模。本示例研究了聚焦高斯光束和具有不同直径的纳米圆柱体之间的相互作用，并且图示出了偏振相关效应。



建模任务


比较 - 自由空间与具有纳米圆柱体



比较 - 不同直径的纳米圆柱体



文件信息


]]> <![CDATA[平面电磁波散射中麦克斯韦方程组的米氏解]]>

摘要

平面波对于任意半径和折射率的球形粒子的吸收和散射问题，米氏解是严格的麦克斯韦求解器。其得到的散射效应十分依赖于粒子的大小。根据其特性，散射可以分为瑞利散射、米氏散射和几何光学散射。VirtualLab Fusion中包含了完整的米氏解。该案例研究了不同半径的球形粒子散射。

模拟任务

散射分类

非吸收球形的散射（掺杂硅）

吸收球形的散射（金）

在VirtualLab Fusion中查看

VirtualLab Fusion技术

文件信息

]]> <![CDATA[用与球形粒子散射的MIE解]]> 光的散射是最基本的光效应之一。对于大小与光的波长相当的散射粒子，例如空气中的液滴或气态污染物，需要进行精确的处理才能建立足够精确的模型。米氏解，也称为洛伦兹-米氏解，或米氏散射，已在VirtualLab Fusion中用于研究球形粒子的散射特性。例如，模拟了由电介质或金属材料制成的粒子的散射，并进行了这两种情况的对比。

用于散射的麦克斯韦方程的米氏解

利用VirtualLab Fusion中对电磁平面波的Mie解，我们研究了不同半径和不同材料制成的球形颗粒的散射效应。

电磁场与纳米柱的相互作用

利用完全匹配层(PMLs)技术，研究了聚焦高斯光束与不同直径纳米柱的相互作用。
]]> <![CDATA[GLAD：高斯光束的吸收和自聚焦效应]]>
当一束强激光入射到介质中后，由于强光场与介质的非线性作用，使得介质的线性折射率上会叠加与入射光强相关的非线性折射率。当入射光束的光强呈现空间上的非均匀分布时，由此引入的非线性折射率也是非均匀的，这将使不同空间位置的光所经历的光程长度不同，即介质对入射光束的作用等价于光学透镜，从而导致光束的自行聚焦效果。

特别地，当入射光束强度沿垂直光轴的界面内呈高斯形时，且强度足够产生非线性效应的情况下，此时介质折射率的横向分布也是钟形的，从而对入射光束产生会聚作用，这就是高斯光束的自聚焦效应。

系统描述

本例重点展示了beer以及sfocus两个命令的使用，给出了经过吸收之后高斯光束的强度分布轮廓图，光束的吸收遵循比尔定律并且可能会出现自聚焦现象。研究发现，自聚焦效应会导致穿透剖面变窄，本例对比了以下四种情况：
（1）理想的高斯光束聚焦
（2）经过吸收之后的理想高斯光束聚焦
（3）经过吸收和自聚焦效应之后的理想高斯光束聚焦
（4）经过吸收和自聚焦效应之后的带有像差的高斯光束聚焦

图1.模拟示意图
模拟结果

  
图2.初始理想高斯光束光强分布

图3.理想高斯光束的成像切片

图4 介质中存在吸收时理想高斯光束的成像切片
图5.介质中存在吸收同时考虑自聚焦效应时理想高斯光束的成像切片

图6.介质中存在吸收同时考虑自聚焦效应时带像差高斯光束的成像切片
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]]> <![CDATA[二维周期光栅结构的配置]]> 摘要

复杂光学光栅结构被广泛用于多种应用，如光谱仪、近眼显示系统等。利用傅里叶模态法(FMM，或称RCWA) VirtualLab Fusion 提供了一种用于任意光栅结构严格分析的简单方法。利用图形用户界面，用户可以设置堆栈的几何形状，从而产生复杂的光栅结构。本案例主要集中于具有二维周期光栅结构的配置。

1. 本案例主要说明：
 如何在光栅工具箱中配置二维光栅结构，通过：
- 基于介质的定义类型
- 基于表面的定义类型
 计算前如何改变高级选型并检查定义的结构。
 注意：在VirtualLab中，具有二维周期性的光栅结构称作3D光栅。因此，层状光栅(一维光栅)被称为2D光栅。

2. 光栅工具箱初始化
 初始化
- 开始→
光栅→
一般光栅光路图(3D光栅)


 注意：对于特殊类型的光栅，如柱状光栅，可以直接选择特定的光路图。

3. 光栅结构配置
 首先，必须先定义基底的厚度与材料
 在VirtualLab中，光栅结构有一个所谓的堆栈进行定义
 堆栈可以附属在基底的一侧或两侧。
 例如，堆栈选择附属在第一表面。

基于介质的定义类型
(例如：柱状光栅)
1. 堆栈编辑器
 在堆栈编辑器中，可以从库中增加和插入界面和介质。
 为了以特殊材料定义光栅，必须添加两个平面界面作为边界。



 两个平面界面间的介质可以使均匀的，也可以是调制的。
 通过使用后者，可以非常有效地描述复杂的光栅结构，如柱状光栅。、


2. 柱状光栅介质
 在库目录“LightTrans Defined”中，在柱状介质库中可以找到铬柱。
 这种类型的介质可以模拟柱状结构以及衬底上的销孔。

 在本例中，由铬组成的矩形柱位于熔融石英基底上
 在堆栈编辑器的视图中，不同的材料根据折射率(深色意味着更高)用其他颜色表示。
 注意:堆栈编辑器总是提供x-z平面的横断面视图。
 请注意:界面的顺序总是从基板的表面开始计算。
 选中的界面以红色高亮显示。
 此外，这里不能定义光栅前面的介质（后一个界面后面）。它是自动从光栅元件前面的材料中取出的。

可以在光学设置编辑器中更改此材料。


 堆栈周期允许控制整个配置的周期。
 对于具有二维周期性的光栅，周期必须在x和y方向上定义。
 该周期也用于FMM算法的周期性边界条件。对于简单的光栅结构，建议从介质周期中选择“相关的”（Dependent）选项，并选择适当的周期介质指数。

3. 柱状光栅介质参数
通过以下参数定义柱状光栅：

 基材(凹槽的介质)
 柱状材料(脊的材料)
 柱的形状(矩形或椭圆形)
 x方向(水平方向)柱距
 y方向(垂直方向)柱距
 行移(允许行位移)
 光栅周期在x和y方向

 根据柱栅的尺寸和距离自动计算柱栅的周期。
 因此，它不能单独设置，框显示为灰色。


4. 高级选项&信息
 在传播菜单中有几个高级选项可用。
 propagation method选项卡允许编辑FMM算法的精度设置。
 可以设置每个方向上考虑的总阶数或倏逝波阶数。
 这可能是有用的，尤其是如果考虑金属光栅。

 相反，对于电介质光栅，默认设置就足够了。
 Advanced Settings选项卡提供关于结构分解的信息。
 层分解和过渡点分解设置可用于调整结构的离散性。默认设置适用于几乎所有光栅结构。

 此外，还提供了关于层数和转换点的信息。
 分解预览按钮提供了用于FMM计算的结构数据的描述。折射率用色标表示。
 定义的柱栅分解预览(俯视图)。
 •VirtualLab建议将其离散化为2层(1层表示基底)。


基于界面的定义类型
(例如：截锥光栅)
1. 堆栈编辑器

2. 截锥光栅
 在本例中，使用了“截锥光栅界面”。
 这种类型的界面可以模拟圆形的高透射结构。
 在本例中，锥体是由位于同一材料基体上的熔融二氧化硅制成的。

 在堆栈编辑器的视图中，不同的材料根据折射率(深色意味着更高)用其他颜色表示。
 注意:堆栈编辑器总是提供x-z平面的横断面视图。
 请注意:界面的顺序总是从基底的表面开始计算。
 选中的界面以红色高亮显示。
 此外，这里不能定义光栅前面的介质（后一个界面后面）。它是自动从光栅元件前面的材料中取出的。
 这种材料可以在光学设置编辑器中更改。

 此外，锥体的材料会自动从界面之后的材料中取出。
 在本例中，这意味着使用基底(基块)的材料。
 如果光栅结构是由不同的材料制成的，则必须添加额外的平面界面，以便将光栅结构与底座分离。
 然后根据需要选择截锥与平面界面之间的材料。
 堆栈周期允许控制整个配置的周期。
 对于具有二维周期性的光栅，周期必须在x和y方向上定义。
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]]> <![CDATA[抗反射蛾眼结构]]>
抗反射蛾眼结构的严格分析与设计

利用VirtualLab Fusion中的傅立叶模态方法和参数优化，案例展示了抗反射蛾眼结构的分析和设计。

具有2D周期性的光栅结构配置


在VirtualLab Fusion中，可以使用堆栈配置复杂的3D光栅结构。 该用例主要用于具有二维周期性的光栅结构的配置。

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