衍射的案例
光學系統衍射效應分析棘手？OAS 軟件菲涅爾衍射來解惑
菲涅爾衍射的三維追跡圖
菲涅爾衍射的探測器結果圖
總結
OAS 軟件的模擬，在探測器上清晰呈現出了菲涅爾衍射條紋。分析結果顯示，該衍射條紋具有明顯的近場特征，其明暗分布與光源的半孔徑、波長以及光源到探測器的距離密切相關。由于光源參數和傳播距離的特定設置，衍射條紋呈現出獨特的周期性和強度變化規律。通過對這些條紋特征的深入分析，能夠進一步理解菲涅爾衍射中波前曲率變化對衍射圖樣形成的影響機制，為深入研究菲涅爾衍射的物理本質提供重要依據。
衍射及微納光學系統的分析、設計與加工技術
課程大綱：
1.波動光學基礎
□ 雙光束干涉及楊氏干涉
□ 相干及非相干光源的傳播特性
□ 衍射光學與傅里葉變換
2.衍射元件概述
□ 衍射光學元件概念
□ 衍射光學元件優點
□ 光束分束、整形、擴散
□ 傅里葉變換
□ 角譜理論
□ 工作裝置類型
3.衍射光學元件理念及設計
□ 基本理念
□ 透鏡和衍射光學元件的作用
□ 分束、整形和擴散的實質
□ 衍射光學元件的特征尺寸
□ 衍射光學元件優化設計方法
4.IFTA簡介
□ 基本設計步驟
□ 光學系統結構——1f、2f、Fresnel、Far-field、角譜
□ 參數估算——周期和線寬的估算
□ 光學系統分辨率——不同結構的分辨率
□ 配置設計過程的優化評價函數
5.衍射元件設計案例
□ 衍射分束器參數選擇
□ 衍射分束器設計流程：規則和任意形狀
□ 衍射整形器參數選擇
□ 衍射整形器設計流程：1D和2D平頂型
□ 衍射擴散器參數選擇
□ 衍射擴散器設計流程：平頂型和任意圖案
6.光柵模擬分析
□ 構建stack
□ 調整模擬參數——精度因子和衍射級次
□ 近場分析、衍射效率分析、內部場分析
□ 2D光柵表面鍍膜分析
□ 3D表面具有減反結構的光柵分析
□ 光柵單元陣列及透鏡陣列的建模與分析
7.光柵概述
□ 2D和3D光柵,亞波長光柵,及二元光學元件
□ 標量衍射和傅里葉變換
□ 矢量衍射和傅里葉模態法
□ 納米光學元件的應用：抗反射、偏振控制、成像、傳感等
8.微納光學元件制作
□ 多階器件加工
□ 連續器件加工
□ 傳統套刻法
□ 激光直寫法
□ 納米光子器件制作概述
□ 衍射光學元件公差分析
9.答疑
展開 衍射光學元件光束整形、分束和擴散
衍射光學元件光整形
光學軟件VirtualLab可以用來設計和模擬用于激光光束整形的衍射光學元件。衍射光學工具箱使用強大的迭代傅里葉變換算法（IFTA）和參數優化可以用來優化：
? 衍射光學元件
? 衍射光束分束器
? 衍射擴散器
? 衍射和折射光束整形器
? 計算全息（CGH）
? 相位板
? 全息圖
被紅色和綠色激光照射的衍射線擴散器和環擴散器
衍射光學元件可以用包括聚焦透鏡，準直透鏡，光束擴展器和傅立葉透鏡來建模。光學模擬包括：
? 衍射
? 干涉
? 偏振
? 時間和空間相干度
? 強度
? 相位
? 像差
衍射光學元件可以用于各種光學系統來操縱激光，經典的應用包括：
? 材料處理
? 信息顯示
? 測量系統
? 自由空間通訊
? 汽車行業
? 軍事
? 光譜學
衍射光分束器產生的光斑 (由POG, Gera加工)
功能
衍射光學元件在您的激光系統中將會有以下功能：
? 控制衍射和干涉效應
? 客戶自定義激光光束分束后的每束光的功率
? 設計已確定特性的散射板
? 激光光束強度整形
? 使激光系統緊湊
? 產生任意的2D強度分布
? 使用IFTA快速優化成百上千個參數
一個衍射光分束器元件的一個周期的二元高度輪廓
衍射光分束器
衍射光束分束器可以將一束激光分成自定義數目的光束，每束光可以有自定義的功率和角度。光分束器一般和準直透鏡，聚焦透鏡，擴束器以及傅里葉透鏡一起使用。目標平面光束的尺寸一般由透鏡系統控制，而光束的位置和功率由衍射光束分束器控制。
展開 【材料課堂】透射電鏡電子衍射花樣的標定與分析！
圖a是沿[010]方向2倍周期有序的超點陣電子衍射花樣，圖b是沿[101]方向2倍周期有序的超點陣電子衍射花樣，圖c是沿[11－1]方向2倍周期有序的超點陣電子衍射花樣，而圖d則是沿[111]方向6倍周期有序的電子衍射花樣。
孿晶電子衍射花樣
所謂孿晶，通常指按一定取向關系并排生長在一起的同一物質的兩個晶粒。從晶體學上講，可以把孿晶晶體的一部分看成另一部分以某一低指數晶面為對稱面的鏡像；或以某一低指數晶向為旋轉軸旋轉一定的角度。
孿晶的分類：
1、按晶體學特點：反映孿晶和旋轉孿晶；
2、按形成方式：生長孿晶和形變孿晶；
3、按孿晶形態：二次孿晶和高次孿晶。
上圖中圖a和b是CaMgSi相中的（102）孿晶在不同位向下的孿晶花樣，圖c是CaMgSi相中另外一種孿晶的電子衍射花樣，其孿晶面是(011)面；圖d是鎂中常見的（10－12）孿晶花樣。
二次衍射
在電子束穿行晶體的過程中，會產生較強的衍射束，它又可以作為入射束，在晶體中產生再次衍射，稱為二次衍射。二次衍射形成的新的附加斑點稱作二次衍射斑。二次衍射很強時，還可以再行衍射，產生多次衍射。
產生二次衍射的條件：
1、晶體足夠厚；
2、衍射束要有足夠的強度。
二次衍射花樣形成的示意圖
上圖是二次衍射中出現多余衍射斑點的兩種不同，其中圖a是在鎂鈣合金中得到的的電子衍射花樣，圖中本來只存在兩套花樣，分別是鎂的[-1100]晶帶軸電子衍射花樣和Mg2Ca相的[3-302]晶帶軸花樣。
展開 
VirtualLab Fusion：衍射透鏡元件
摘要
如今，衍射透鏡在現代光學的各種應用中得到廣泛的使用。微結構表面被用來取代笨重的光學元件，與傳統鏡頭相比，得益于尺寸和重量的減小。在快速物理光學軟件VirtualLab Fusion中，這些結構既可以以理想化的形式建模，具有預定義的階次和效率，也可以更現實地建模，包括對實際微觀結構表面的精確分析。本文介紹了VirtualLab Fusion的衍射透鏡組件、可用的選項和應用的建模方法。
在哪里可以找到組件?
衍射透鏡組件可以在Components > Single Surface & Stack下找到。
波前相位響應
衍射透鏡組件由單一曲面組成，其透射函數用多項式波前響應來描述。
衍射透鏡引入的波前相位響應在通道運算符（Channel Operator）選項卡中定義。如果衍射透鏡是從Zemax OpticStudio?導入的，數據將自動填寫(模型與Zemax OpticStudio?的Binary 2曲面一致)。
（來自VirtualLab Fusion手冊）
理想衍射透鏡的參數設置
然后，用戶可以在衍射結構建模（Diffractive Structure Model）選項卡中選擇將衍射透鏡模型定義為理想化的或具有真實曲面的，主要區別在于如何計算階次的效率。在理想函數的情況下，所需的衍射級數和它們的效率必須手動定義。
總結:理想衍射透鏡的計算方法
采用帶理想光柵函數的局部線性光柵近似法（LLGA）計算衍射透鏡的理想曲面。具體步驟如下:
1.曲面上的輸入場被看作是局部平面波(LPWs)的組成。
2.每個LPW看到的曲面部分被認為是一個線性光柵(局部)。
3.
展開 如何在Zemax OpticStudio用戶自定義表面真實建模衍射式人工晶狀體透鏡
使用這種方法，階次傳播可以通過從物體到圖像的光線或通過出射瞳孔的標量衍射來建模。這種方法提供了分析單個階次的簡單解決方案，對于使用單個目標衍射階的應用特別有益。使用此方法設計衍射人工晶狀體的工作原理和應用示例以下知識庫文章中詳細討論：
OpticStudio中如何對衍射表面進行模擬 ：https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/1500005489061
使用衍射表面模擬人工晶狀體：https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/1500005488661
然而，上述分解模型中存在一些不足。首先，由于相位函數只是對經過折射或反射表面的光線施加額外的相位改變，因此該模型不考慮通過衍射元件的真實光線路徑，因此忽略了波長色散以及某些其它像差。此外，這種表面模型沒有考慮衍射效率。最后，必須創建一個多重結構系統來逐個模擬不同的衍射級次。
區域分解
相反，使用區域分解，可以一次準確地考慮多個衍射階次，并且該方法通過模擬衍射元件的實際形狀來固有地考慮波長色散和衍射效率。這使得創建先進的IOL模型成為可能，其中不同的順序旨在為多個觀看距離提供清晰的視野，從而取代人眼。
區域分解模型假設分散元件的區域寬度遠大于波長，并且光學特性在區域內表現平滑。在這種情況下，幾何光學近似和光線追蹤可用于描述從衍射表面的一側到另一側的傳播。這也意味著這些區域在近場中可以被視為傳統的折射/反射光學元件，而在遠場光分布中只能通過標量衍射分析來計算。
展開 SJ5900光學型輪廓儀：衍射非球面精準測量新利器
衍射非球面是一種特殊形狀的光學元件，其曲率在不同方向上不均勻變化，與傳統的球面形狀不同，在衍射非球面上，光線通過非球面的表面時會發生衍射現象，這種衍射會使得光線的波前形狀被改變，從而實現特定的光學功能，提高成像質量和性能。
衍射非球面
衍射光學元件是以光的衍射效應為基本工作原理，通過表面微浮雕結構來調制入射波面，從而得到所希望的波面。為了實現更豐富的光學功能，增加光學設計自由度，通常把衍射元件的微結構疊加在非球面的基底上。
在光學設計軟件 CODE V 中，旋轉對稱衍射面表示為：
式中：n1、n2 分別是衍射面之前的介質折射率和衍射面之后的介質折射率；λ0為等效設計波長；c1、c2、c3 分別是衍射面2、4、6 次相位系數；HOR為衍射級次。從公式中可以看出，衍射面方程涵蓋了非球面基底以及衍射微結構特征，其光學設計含義如下圖所示。衍射光學元件是將連續折射 面形折疊為衍射結構，在達到相同光學性能的條件下，實現光學系統的小型化及輕量化。
衍射非球面廣泛應用于各個領域，包括光學鏡頭、顯微鏡、攝影鏡頭、激光光束整形、天文望遠鏡等，它們在科學研究、醫療診斷、工業檢測、通信傳輸等領域中發揮著重要作用。通過精確的光學設計和加工工藝，衍射非球面鏡片可以實現更廣闊的視場、更高的分辨率和更好的像差控制。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
根據M×N配置，USP激光輸入（例如，5 fs）或大的角度會導致標定的圓形DOE輸出中產生橢率，并且在光斑中心位置產生明顯的零階衍射（參見圖4）。因為這是一個周期衍射光柵結構，根據光柵方程每個波長衍射如下：
d是縫之間的間距，θm是波長λm的衍射角，m是衍射級，操作波長是λ。在使用一個有多個不同波長USP激光時，每個波長將擁有不同的衍射角，因此會在不同的位置產生衍射。因此，我們期望的光斑是橢圓形而不是圓對稱的。
另一個影響是零階衍射的增長，正如前面所討論的，這與波長相關。當入射到DOE的不是原先設計的標定波長，而是一個不同的波長，我們可以預期觀察到圖案中的零階衍射。對于圖像中不包含零階的偶數級的光斑（對照于奇數光斑），這種影響更重要。
從仿真中可以看出，USP激光輸入對大多數類型的DOE影響甚微，除非脈沖時間非常短（幾飛秒）。盡管如此，也必須考慮USP激光的光束質量。MM激光的M2參數高于SM激光的M2值，從而可以減少光束的散斑以及橢圓率對大角度分束器的影響。輸入光束的橢圓率會影響輸出光斑的形狀（光斑形狀更加橢圓），并且光束直徑對光斑的尺寸和分離角也有影響。
展開 高數值孔徑衍射分束器設計
案例386（1.0）
關鍵詞：衍射光學元件、DOE、高數值孔徑，畸變補償，幾何畸變，枕形，桶形，強度衰減，功率、陡降、損耗、預備信號場、光圖形、迭代傅里葉變換算法、IFTA、模組、分束器、衍射
1. 摘要
? 通過該案例闡述了如何利用迭代傅里葉變換算法進行高數值孔徑衍射分束器設計。
? 通過來分束器可以生成一個5x5規則的點陣圖形。
? 然而，由于偏轉角較大使得目標平面上這個規則的5x5點陣圖案產生了一個形變。
? 可以利用VirtualLab 模塊 Mod014 在迭代傅里葉變換算法設計中預補償該圖形的形變。
2. 設計任務：規則的5×5光束分束器
? 設計衍射分束器用于在衍射元件遠場生成規則的高數值孔徑光圖形。
? 最大衍射角(水平/豎直)：α=β=22.3°
? 最大衍射角(對角線)=30.1°
3. 設計任務
? 光源參數：
— 高斯光源波長：532nm
— 光束直徑(1/e2)：80um
? 系統參數：
— 衍射元件到屏幕距離：z=0.3m
? 期望輸出場：
— 期望點圖形：規則圖形，5×5的點陣
— 級次間距：49.2mm
— 目標圖案依據示例文件
“Sc386_TargetPattern_1.ca2”
? DOE參數：
— 僅改變位相的衍射光學元件
— 離散DOE的位相階數：4
4. 點圖形的變形
? 衍射元件通常是在等間距的計算網格上利用角譜域的迭代傅里葉變換算法完成設計。
? 對于非近軸衍射元件，衍射角和光軸上點的橫向距離之間沒有線性關系。
? 對于非近軸衍射角，期望點位置與最終獲得枕形畸變的點位置之間存在一個的差異。
展開 Ansys Zemax | 利用 Kogelnik 方法模擬體全息光柵的衍射效率
我們可以使用衍射光柵（Diffraction Grating）或User Defined Object 并選擇DiffractionGrating.dll。目前此DLL不支持其他衍射對象，其假設衍射面在XY平面。
當全息膠片的形狀為圓形時使用衍射光柵，當全息膠片的形狀為矩形時使用User Defined Object 加上DiffractionGrating.dll。如果全息膜的形狀既不是圓形也不是矩形，則可以使用對象Boolean Native或Boolean CAD組合，再加上對象Extruded，就可以構建任意所需的形狀。
在Object Properties... Diffraction中，我們添加了DLL hologram_kogelnik.dll。每個參數的含義與序列模式相同。反射部分和穿透部分的參數總是相同的。對于這個DLL，我們必須將 Start Order 設置為 0，Stop Order 設置為 1，理由在前面理論假設部分有說明。
還有一個參數 “Ig. Geo.Err.“，只有在非序列模式下才會顯示。如果這個參數被設置為非零，當衍射光束不存在時，DLL將不會返回幾何錯誤。當光線在遠離布拉格的條件下擊中全息時，可能會發生這種情況。
請注意 “ Ig. Geo．Err." 這個參數是針對非序列DLL的。如果這個參數設置為1，當DLL返回任何幾何錯誤時，DLL將顯示更多的信息。這對測試系統很有用，可以知道為什么會發生幾何錯誤。該消息只對DLL檢測到的第一個幾何錯誤顯示一次。如果要對任何進一步的幾何錯誤顯示更多信息，請將此參數設置為0，然后再設置為1。
圖 7. 用戶自定義對象的衍射設定
當使用這個全息DLL，衍射面（Face 1）上的鍍膜應該始終為None。
圖 8. 用戶自定義對象的鍍膜設定。
展開 Ansys Zemax | 用戶自定義表面真實建模衍射式人工晶狀體透鏡
首先，由于相位函數只是對經過折射或反射表面的光線施加額外的相位改變，因此該模型不考慮通過衍射元件的真實光線路徑，因此忽略了波長色散以及某些其它像差。此外，這種表面模型沒有考慮衍射效率。最后，必須創建一個多重結構系統來逐個模擬不同的衍射級次。
2.區域分解
相反，使用區域分解，可以一次準確地考慮多個衍射階次，并且該方法通過模擬衍射元件的實際形狀來固有地考慮波長色散和衍射效率。這使得創建先進的IOL模型成為可能，其中不同的順序旨在為多個觀看距離提供清晰的視野，從而取代人眼。
區域分解模型假設分散元件的區域寬度遠大于波長，并且光學特性在區域內表現平滑。在這種情況下，幾何光學近似和光線追蹤可用于描述從衍射表面的一側到另一側的傳播。這也意味著這些區域在近場中可以被視為傳統的折射/反射光學元件，而在遠場光分布中只能通過標量衍射分析來計算。
在OpticStudio 中，PSF計算實現了這一精確過程，幾何光線追跡的結果疊加從出瞳到像面的衍射效應。由于通過衍射元件的相位變化是基于幾何光學計算的，因此當衍射表面位于出瞳或其共軛位置之一（入瞳或孔徑光闌）時，區域分解最適合的。
人工晶狀體設計和仿真是一個合適的案例，它符合上述標準，因為植入的人工晶狀體通常放置在瞳孔之后（瞳孔作為孔徑光闌）。根據通常的做法，當孔徑光闌和出瞳之間的菲涅爾衍射可忽略時，可以使用區域分解來有效地模擬衍射IOL。
使用 UDS DLL 的衍射表面模型
為了利用上述區域分解方法，我們實現了一個新的用戶定義表面DLL，其中可以通過分析描述浮雕型衍射表面的矢高輪廓。
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[VirtualLab] 如何利用場追跡控制衍射的包含
- 在VirtualLab中，所需包含的衍射是由引擎自動決定的。
- 因此，探測器上的強度圖顯示出衍射效應。
? 第2代場追跡
- 在這個示例中，可以通過減小球面波到孔徑的距離來減小衍射的影響。
- 因此，到球面波輸入平面的距離減小到3mm。
- 在某一點上，場跟蹤引擎切換到強度模式的純幾何評估，而不考慮衍射。
- 在第2代場追跡引擎的仿真設置中，通過提高傅里葉變換的精度，可以再次增加衍射的包含。
6. 文件信息
三角孔徑衍射誤差難分析？OAS 軟件深度仿真解難題
三角孔徑衍射案例分析
簡介
衍射是光學領域的基礎物理效應，非規則孔徑（如三角形孔徑）的衍射特性在光學成像、激光束整形、光場調控等場景中具有重要應用價值。傳統物理實驗需反復調整光源、孔徑與探測設備，成本高且周期長，因此需借助專業光學仿真軟件構建精準模型，高效分析三角孔徑的衍射規律。本案例以高斯光束為研究對象，基于 OAS 光學軟件實現三角孔徑的建模與衍射仿真，目標是獲取遠場衍射圖樣及光強分布數據，為后續光學系統設計提供理論支撐。
案例設置與操作
光源建模
在 OAS 軟件光源模塊中選擇 “高斯光束” 類型，輸入束腰半徑 4.5mm、波長 0.6328μm，設置光束傳播方向沿光軸正方向，同時勾選 “光束質量監控” 選項，確保光源參數與實際實驗條件一致。
孔徑結構構件
首先通過 “自定義曲線” 工具，以光軸中心為原點，輸入三角形三個頂點坐標（如 (0,8mm)、(-7mm,-4mm)、(7mm,-4mm)），生成對稱三角形圖形；隨后創建半孔徑 15mm 的矩形平面（全孔徑 30mm，確保矩形范圍完全覆蓋三角形）；最后調用軟件布爾運算功能，選擇 “矩形平面 - 三角形” 差集運算，去除矩形中三角形以外區域，生成三角孔徑結構，過程中通過實時預覽功能調整頂點坐標，保證孔徑尺寸精度。
仿真結果與分析
使用OAS的衍射仿真功能，基于基爾霍夫衍射理論計算三角孔徑的遠場衍射過程，輸出衍射圖樣與光強分布曲線。結果顯示：遠場衍射圖樣呈中心對稱分布，中央主極大光斑為三角形輪廓，周圍環繞 3 組明暗交替的衍射條紋，條紋間距隨衍射角增大而減小。
光強分布曲線表明，中央主極大強度約為一級旁瓣強度的 12.5 倍，主極大半寬度約 0.78mrad。
展開 OAS 軟件光柵衍射案例來解決
光柵衍射案例分析
簡介
光柵衍射是光學領域中典型的波動光學現象，其衍射光斑的分布規律直接反映了光柵的結構特性與入射光的傳播特性，在光譜分析、光通信、精密測量等領域具有重要應用價值。本案例基于 OAS 光學軟件，通過搭建標準化的光柵衍射仿真模型，實現對光柵衍射過程的精準模擬。
案例設置與操作
參數設置
在 Z 軸坐標為 2mm 的位置（Z=2mm）搭建核心光學元件 ——光柵。光柵孔徑設置尺寸為 1mm，孔徑形狀采用圓形（默認標準形狀，可根據實際需求調整為矩形或其他異形結構），確保光柵的有效通光區域符合仿真場景需求；
在軟件的光柵屬性設置界面中，明確勾選 “考慮 0 級、+1 級、-1 級衍射光線” 選項，屏蔽更高級數（如 ±2 級、±3 級）的衍射光線，以聚焦核心級數的傳播與成像分析，同時降低仿真計算量；
根據實際光柵類型（如透射式、反射式）設置光柵的折射率（透射式）或反射率（反射式），默認采用標準光學玻璃折射率（n=1.5168），確保光柵的光學特性符合常規應用場景。
光源設置及建模
在 OAS 軟件的光學系統建模界面中，首先完成平面光源的創建與參數配置。將光源放置于 Z 軸坐標為 0mm 的平面（Z=0 平面），該平面光源采用單色光輸出（默認波長可根據仿真需求自定義調整），光源的發光區域尺寸需與后續光柵孔徑尺寸匹配，確保入射光能夠完整覆蓋光柵有效區域，避免因光源尺寸不足導致衍射光線信息缺失。同時，設置光源的光強分布為均勻分布，以消除光源自身不均勻性對衍射結果的干擾。
探測器設置
在 Z 軸坐標為 4mm 的位置（Z=4mm）創建平面探測器，作為衍射光斑的接收與成像裝置。
展開 [VirtualLab] VirtualLab：衍射角計算器
摘要
衍射光柵的定義特征是其結構的周期性，正如傅立葉理論所預測的那樣，這會導致入射光在透射和反射方面被分割成一組離散的級次。這些傳播級次的數量，以及每個傳播級次的偏轉角，取決于輻射的波長、光柵前后介質的折射率、結構的周期和入射角。這種相關性在數學上被編碼在光柵方程中。在這個用例中，我們介紹了VirtualLab Fusion的衍射角計算器，這是一個用于計算光柵方程的方便工具。
打開衍射角計算器
可以通過“開始”選項卡下的“計算器”下拉列表訪問“衍射角計算器”。
設置輸入參數
用戶需要輸入光柵周期、入射角、波長的值，并定義光柵前后的材料。入射波和反射級次位于第一種材料中，而透射級次于第二種材料中。
“切換材質”按鈕可用于交換這兩種材質。
定義衍射級數
在“衍射階數”框中，可以選擇指定“顯示的最大級次”。此參數指定將可見的傳播級次的數量。反射和透射的最小和最大傳播級次分別顯示為反射級次范圍和透射級次范圍。
光柵方程
衍射級數圖
用戶可以為圖表生成一個單獨的窗口，通過單擊“單獨的圖表”可以保存和放大該窗口。此外，還提供了一個顯示衍射角的表格
一個例子
現在讓我們考慮另一個例子。在這種情況下，我們選擇第一種材料作為熔融二氧化硅，第二種材料作為空氣，入射角為25°。我們將顯示的最大顯示級數為1。
通用光學設置中的示例
我們采用通用光學設置來模擬類似的系統。衍射光柵由光柵組件描述，使用FMM/RCWA[S-矩陣]求解器。我們可以看到，這產生了與衍射角計算器相同的結果，其中結果直接由光柵方程計算。
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