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VirtualLab软件操作和实例剖析 培训讲义 内容概要 • VirtualLab软件整体介绍 • 软件功能介绍 • VirtualLab软件建模指导 • VirtualLab软件优化方法介绍 • VirtualLab衍射光学元件的设计和优化 • VirtualLab软件光栅的建模和分析 VirtualLab软件整体介绍 • 软件开发背景介绍 • 场追迹技术介绍 • 场追迹和光线追迹的比较 • 软件应用领域介绍 VirtualLab软件整体介绍 • 软件开发背景介绍 • 场追迹技术介绍 • 场追迹和光线追迹的比较 • 软件应用领域介绍 软件开发背景介绍 • 世界光谷——德国耶拿 由左至右：蔡司，阿贝和肖特 软件开发背景介绍 • 世界光谷——德国耶拿 软件开发背景介绍 • 现代光学的建模需求 软件开发背景介绍 • 现代光学的基础 1. 阿贝成像理论 2. 衍射的分辨率极限 3. 超越光线追迹的设计和建模 • 包含了物理光学效应的光学建模、分析和设计会更加真实 • 计算机技术的发展，在光学应用中发挥了巨大的作用 软件开发背景介绍 • 契合现代光学建模要求——VirtualLab Frank Wyrowski教授LightTrans公司 VirtualLab软件 软件开发背景介绍 • 应用计算光学小组@ IAP 软件开发背景介绍 • Wyrowski Photonics and LightTrans 软件开发背景介绍 • VirtualLab Fusion VirtualLab软件整体介绍 • 软件开发背景介绍 • 场追迹技术介绍 • 场追迹和光线追迹的比较 • 软件应用领域介绍 场追迹技术介绍 • 光学建模的任务 光源元件以及自由空间的传播探测器 场追迹技术介绍 • 光源场的电磁场描述 电磁场由六个场矢量描述： 由于，因此磁场方向的分量可 以用电场描述： 由于，电场在Z方向的分量可以由其它分量 来描述：  T zyxzyx HHHEEEV,,,,, wrHiwuwrE,; 0   zyx EEEHH,, 0;wrE  yxzz EEEE,  T yx E,EV  场完全可以用来描述 场追迹技术介绍 • 光源场的电磁场描述 Donut Mode Source – Z方向电场 – Y方向磁场 – X方向坡印廷矢量 场追迹技术介绍 • 光场在元件以及自由空间的传输  T in y in x in E,EV  T out y out x out E,EV inout SVV 场追迹技术介绍 • 光场在自由空间的传输 • 自由空间传输自动传输算子 平面波谱算子 菲涅尔传输算子 混合平面波谱/菲涅尔算子 远场算子 几何光学算子 场追迹技术介绍 • 光场在自由空间的传输 • 光源参数  高斯光束  15°发散角（全角） • 自由空间传输算子  自动传输算子 • 自由空间传输距离  10um  100um  1000um 场追迹技术介绍 • 光场在自由空间中传输（自动传输算子） 场追迹技术介绍 • 光场在自由空间传输 10um传输距离 1mm传输距离 100um传输距离 场追迹技术介绍 • 光场在元件间的传输  T in y in x in E,EV  T out y out x out E,EV inout cVV • 元件传输方法  几何光学传输（GeOp）  薄元逼近（TEA)  傅里叶模式法（FMM）  有限元法（FEM）  迭代傅里叶变换方法（IFTA)  …………. 场追迹技术介绍 • 统一化建模技术——集合了几何光学建模技术和物理光学建模技 术，以对一个光学系统进行统一化建模 FDTD Field Tracing Techniques FEM free space (SPW) gratings (FMM) layers plane interface (Fresnel) more … lenses, etc. (GeOp) slight scatterer, DOE (TEA) free space: Fresnel, far field weak variation: BPM more … 场追迹技术介绍 • 针对光学系统的不同部分使用不同的传输技术 free space (SPW) lenses, etc. (GeOp) free space: Fresnel, far field 场追迹技术介绍 • 越来越多的追迹技术将会被融合到VirtualLab之中 VirtualLab软件整体介绍 • 软件开发背景介绍 • 场追迹技术介绍 • 场追迹和光线追迹的比较 • 软件应用领域介绍 场追迹技术和光线追迹技术的比较 • 光的描述 场追迹技术：使用电磁场来描述光 光线追迹技术：使用光线来描述光 • 光的传输 场追迹技术：多种建模技术应用于一个光学系统 光线追迹技术：对整个光学系统应用一种建模技术 •与场追迹技术相比，光线追迹技术在一定程度上限制了 用户的应用 场追迹技术和光线追迹技术的比较 • 平面波经球透镜后的光线追迹，场追迹EX方向的振幅分布和相位分布 VirtualLab软件整体介绍 • 软件开发背景介绍 • 场追迹技术介绍 • 场追迹和光线追迹的比较 • 软件应用领域介绍 软件应用领域介绍 • 波动光学模拟和激光系统设计 • 分析和控制超短脉冲 • 衍射光学元件光束整形、分束和扩散 • 光栅的分析和优化 • 激光谐振腔的分析和优化 • LED光和激光的均匀化和整形 软件功能介绍 • 五大工具箱 基本工具箱衍射光学工具箱 光栅工具箱激光谐振腔工具箱 照明工具箱 软件功能介绍 • 基本工具箱——纳米、微米以及宏观光学的统一化建模 对透镜，微光学和衍射光学元件进行统一建模 对时间和空间部分相干光源进行建模 对超短脉冲进行建模 建模过程中考虑了干涉、衍射、散射以及像差效应 客户自定义元件和传输模型 光学系统的参数优化 软件功能介绍 • 基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模 包含有宏观光学元件和微光学元件的统一化建模 输入光场 宏观光学元件成像 微观光学元件成像 软件功能介绍 • 基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模 可以对包含干涉、衍射、散射和像差和矢量效应的光学系统进行建模 软件功能介绍 • 基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模 空间光调制器模拟 时间部分相干光干涉模拟 可以对空间光调制器以及部分相干光进行模拟仿真 软件功能介绍 • 基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模 可以模拟飞秒，阿秒脉冲以及脉冲色散效应，时间和空间的演化等 软件功能介绍 • 基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模 优化前光斑大小 优化后光斑大小 可以使用优化功能，对结果进行分析和优化 软件功能介绍 • 衍射光学工具箱——衍射和微光学元件的设计 设计衍射分束器以获得规则的或任意分布的光束阵列 设计衍射扩散器以获得规则的或2D光强分布的图案 设计衍射整形器以将高斯光束整形成均匀强度分布，如环形、 高帽和线形等 利用迭代傅里叶变换算法对衍射光学元件进行优化 利用参数运行优化方法对衍射光学元件进行公差分析 软件功能介绍 • 衍射光学工具箱——衍射和微光学设计 可以进行衍射光束整形器设计 入射高斯光束 整形后光强均匀分布的 高帽高斯光束 软件功能介绍 • 衍射光学工具箱——衍射和微光学设计 可以进行衍射光束分束器设计 入射高斯光束 分束后获得的图案分束 光束 软件功能介绍 • 衍射光学工具箱——衍射和微光学设计 可以进行衍射光束扩束器设计 入射的高斯光束 光束经扩散器所获得的 任意2D图案分布 软件功能介绍 • 衍射光学工具箱——衍射和微光学设计 可以进行衍射分束器的设计并可将设计的元件 结构.gds文件导出以用作加工 衍射分束器设计 衍射分束器一个周期的结 构 软件功能介绍 • 衍射光学工具箱——衍射和微光学设计 光束经实际加工出来的衍射元件所获得的效果 线形扩散器和环形 扩散器 任意图案的分束器 软件功能介绍 • 光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析 2D和3D光栅尺寸从纳米到毫米量级 对各种光栅进行严格和近似的电磁场分析和设计 计算光栅的衍射级次、偏振、反射、透射、吸收以及内部场 一般照明的严格光栅分析 公差分析、参数变化和参数优化 软件功能介绍 • 光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析 可以进行2D和3D光栅的设计和模拟 矩形光栅——2D光栅 截锥金字塔光栅—— 3D光栅 软件功能介绍 • 光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析 可以进行三角光栅的内部场分析 一个周期的内部场分布 四个周期的内部场分布 软件功能介绍 • 光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析 可以进行衍射级次和衍射效率分析 一维光束衍射效率分 析图 极坐标下各级次透射 和反射所对应的角度 以及效率 软件功能介绍 • 光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析 左图：优化后的娥眼抗反射结构；中图：未优化的结构波长和反射率的 关系；右图：优化后的结构波长和反射率的关系 软件功能介绍 • 激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析  计算谐振腔系统的本征模，包括基膜和高阶模以及本征值和输 出耦合模  稳态和非稳态腔模拟  将微结构和DOE作为谐振腔的一部分进行模拟，同时客户可自 定义孔径  从LASCAD中导入谐振腔系统进行分析  进行谐振腔的公差分析 软件功能介绍 • 激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析 可以计算激光谐振腔系统的基模和高阶模 热透镜激光谐振腔基模 热透镜激光谐振腔高阶模 软件功能介绍 • 激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析  环形激光谐振腔模拟 软件功能介绍 • 激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析 Fox-Li算法和Arnodi算法  Fox-Li算法计算不同迭代步 数对应的x方向光束半径；  Arnodi数值算法计算不同 的迭代步数对应的x方向光 束半径； 软件功能介绍 • 激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析 从LASCAD中导入激光谐振腔系统。

可以导入热透镜和相应的折射率 数据在VirtualLabTM中使用包含 几何光学和分布光束传输方法进 行此类谐振腔的分析 软件功能介绍 • 照明工具箱——LED光的整形和均匀化  开发紧凑的照明系统用于LED光的均匀化和整形，如光栅元胞阵列  设计可以产生光图案和光图标的光学元件，如微反射镜元胞阵列和微棱 镜元胞阵列  对LED光和其它光源的建模包含了功率谱，时间和空间相干以及偏振特性  利用场追迹分析微结构阵列  利用光栅工具箱严格的分析光栅阵列的效率 软件功能介绍 • 照明工具箱——LED光的整形和均匀化 使用光栅单元阵列对LED光整形 输入的图片 获得的色散场 软件功能介绍 • 照明工具箱——LED光的整形和均匀化 使用光线追迹观察LED光经光栅单元阵列的光场分布 光线追迹点列图 光线追迹3D视图 软件功能介绍 • 照明工具箱——LED光的整形和均匀化 电镜下光栅光栅元胞阵列的结构；反射镜元胞阵列的结构 VirtualLab软件建模指导 • 软件建模方法 • 光学建模的光线追迹 • 光学系统建模的场追迹 软件建模方法 • 双击VirtualLab软件，进入操作界面 导航栏 属性浏览器 信息及结果 显示栏 主窗口 软件建模方法 • 新建一个LPD 光路编辑界面 光路预览界面 软件建模方法 • 构建一个光学系统——选取光源、元件以及探测器 光源 元件 探测器 分析器 软件建模方法 • 构建一个光学系统——将光学系统各部分连接起来 软件建模方法 • 构建一个光学系统——对光学系统各部分进行编辑  双击，进入光 源界面，通过相应的子 界面，修改光源参数， 从而构建光源 软件建模方法 • 构。