高斯光源的案例
ANSYS高斯脈沖激光光源溫度場模擬APDL ￥100
以下為中間過程中的溫度場
本實例介紹在一個高斯脈沖激光光源溫度場的模擬，包含了脈沖激光的apdl程序，高斯光源的APDL程序，以及隨溫度變化的材料參數設置，apdl程序為參數化建模，只需修改相應的數據，即可更換模型參數。
下層基板：長1000微米，寬300微米，高300微米;上層板材：長1000微米，寬300微米，厚30微米。
激光照射上層板材，由寬度方向的中點進入，沿長度方向直線掃描一道，到另一邊中點結束
激光為普通高斯光源，形式為脈沖激光，如圖3，其中激光頻率=1/TCycle, 占空比=TPulse/TCycle
在模擬的過程中要實現激光功率，掃描速度，激光頻率和占空比的可變。求得上層板材中心位置溫度隨時間的變化曲線
1. 溫度場只考慮傳熱，不考慮對流以及輻射，環境溫度為室溫25攝氏度。
2. 材料的各項參數不是固定參數，而是隨溫度變化的參數。
激光參數：
光斑直徑：100微米
激光功率：200W
掃描速率v=800mm/s
占空比ra=0.5
激光頻率f=20000Hz
展開 脈沖的自由空間傳輸
因此，其定義如下：
其對應的頻域譜為：
脈沖在自由空間的傳播的模擬
1) 構建脈沖光源
PS:高斯脈沖光譜窗口
生成的載波波長為800nm的高斯脈沖光譜
2) 創建光路圖LPD，選擇高斯光源，并將高斯脈沖光譜導入高斯光源中，以形成脈沖光源
STEP1：選擇高斯光源(Gaussian Wave)
STEP2：在光源窗口選擇光譜參數(Spectral Parameters)
STEP3：在功率譜類型中選擇波長列表(List of Wavelengths)
STEP4：選擇從圖表中導入(Load from Diagram)
STEP5：選擇上面生成高斯脈沖光譜
STEP6：OK，以生成高斯脈沖光源
3) 選擇虛擬屏作為探測器，并將光源與虛擬屏連接起來，二者間距離設置為10mm
4) 點擊?Go! ，進行場追跡
PS：高斯脈沖光源自由空間傳播，在虛擬屏上的光分布
5) 引入光程分析器（Optical Path Length Analyzer，以下簡稱OPLA），以獲取脈沖的時間偏移
PS:在分析器中雙擊Optical Path Length Analyzer (OPLA)
PS：光程分析器窗口
6) 點擊 ，進行光程分析
PS1：左圖為相位vs頻率圖
PS2：由左圖可見相位大致隨頻率線性變化，因此可對其進行線性擬合。在全相位中提取出線性擬合部分，剩余相位隨頻率的變化如右圖所示。
展開 [NEWSLETTER] 用于光鑷的Ince高斯光束
雖然多種不同的基本高斯模式，Hermite或Laguerre高斯模式是該任務的良好選擇，但Chu等人首先提出的設置[Opt. Express 16, 19934-19949(2008)]使用了Ince高斯光束，因為它們能夠創建日益復雜的穩定2D光圖案。
在快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion中，Ince高斯光源允許用戶輕松配置自定義Ince高斯模式，并用作其系統的光源。將此光源與非序列建模方法相結合，我們演示了Chu等人所提出系統的完整模擬。下面還有一份詳細的文件，描述Ince高斯光束光源的功能和用法。
高斯光束產生渦旋陣列激光束的觀測
本文介紹了由Chu等人首次提出的使用嵌入Dove棱鏡的非平衡馬赫-澤德干涉儀，產生渦陣列激光束的方法[Opt. Express 16, 19934-19949 (2008)]。
Ince高斯模式
Ince高斯模式構成了傍軸波動方程的附加解。本用例演示了Ince高斯模式光源的功能，該功能可用于在光學系統中包含這些模式。
展開 演示面陣激光雷達的工作原理
在這個例子中，我們演示了一個典型的面陣激光雷達的工作原理，該雷達由光源陣列、準直透鏡系統以及衍射光柵作為分束器組成。分析在空間和空間頻率域中進行。
建模任務
建模任務
單個光源+準直透鏡
單個光源+準直透鏡
光源陣列+準直透鏡
光源陣列+準直透鏡+衍射光柵
光源陣列+準直透鏡+衍射光柵
仿真設置注意事項
? 光源陣列的建模- 光路中只有一個高斯光源，利用可編程參數運行實現光源陣列。- 在參數運行中定義網格，每次高斯光源橫向移動到一個網格點上。 ? k域的可視化- 電磁場探測器可以選擇將k域即空間頻率域的場顯示為單個文檔。- 為了將所有結果組合起來并顯示在一個公共窗口中，本例設計并提供了一個VirtualLab模塊。(附錄-組合電磁場模塊.cs)
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 通過參數運行進行光源陣列建模- 單參數運行可編程模式的應用 [用例]
? 正確地設置傅里葉變換- 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例]
? 設置功能光柵元件- VirtualLab Fusion技術 – 理想光柵函數 [技術白皮書]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
- 基于物理光學建模的點陣投影儀工作原理演示
- 二維非傍軸分束元超穎光柵的設計- 24000點隨機圖案高NA分束器的設計
展開 
高斯光源加載（ANSYS與WB協同仿真）
本實例介紹在一個方板上加載熱載荷，其數值符合高斯分布函數。
高斯分布簡單介紹：
二維高斯分布表達式和函數曲線如下。
A是幅值，x。y。是中心點坐標，σx σy是方差，圖示如下，A = 1, xo = 0, yo = 0, σx = σy = 1
學過概率論與數理統計的同學對這些都回憶起了伐~？
下面直接查看加載后的效果
是不是很神奇啊？
下面奉上操作步驟和視頻教程↓
大致步驟是：在SW中建模導入到WB中，然后啟動ANSYS經典界面，用函數編輯器編輯高斯函數，然后保存函數。復制log文件中函數編輯的命令流，然后在WB中添加commands 粘貼之前復制的函數編輯命令流語句，最后再添加一條載荷加載語句。
SF,A,HFLUX,%H3%（其中SF為面加載命令，A指節點集名稱（在WB中用create named selection命令生成），HFLUX指加載類型為熱流密度，%H3%指加載的函數表達式存放文件名為H3）
注意：
commands命令添加到workbench之后，仔細閱讀commands命令如下兩行，清楚當前的單位制，任何需要單位的數據(如質量) 被認為是處于一致的求解器單位制系統中。
! Active UNIT system in Workbench when this object was created: Metric (mm, kg, N, s, mV, mA)
! NOTE: Any data that requires units (such as mass) is assumed to be in the consistent solver unit system.
更多內容，請關注公眾號：ANSYS有限元仿真
展開 [VirtualLab] 演示面陣激光雷達的工作原理
在這個例子中，我們演示了一個典型的面陣激光雷達的工作原理，該雷達由光源陣列、準直透鏡系統以及衍射光柵作為分束器組成。分析在空間和空間頻率域中進行。
建模任務
建模任務
單個光源+準直透鏡
單個光源+準直透鏡
光源陣列+準直透鏡
光源陣列+準直透鏡+衍射光柵
光源陣列+準直透鏡+衍射光柵
仿真設置注意事項
? 光源陣列的建模
- 光路中只有一個高斯光源，利用可編程參數運行實現光源陣列。
- 在參數運行中定義網格，每次高斯光源橫向移動到一個網格點上。 ? k域的可視化
- 電磁場探測器可以選擇將k域即空間頻率域的場顯示為單個文檔。
- 為了將所有結果組合起來并顯示在一個公共窗口中，本例設計并提供了一個VirtualLab模塊。
展開 如何在VirtualLab Fusion中使用可編程光源及示例（高斯光束）
在可編程光源中，它們定義為Ex = J x U(x, y)和Ey = Jy U(x, y)。
? 因此，自定義光源的輸出是一個電磁場，其空間部分由代碼定義，并按照光譜參數選項卡的光譜疊加組成。
? 被定義的場可以用作光學系統中的獨立光源，也可以保存在目錄中，也可以在更復雜光源中作為基本模式。
5. 采樣
? 代碼對光源場函數是解析地定義，使編程函數的精度僅受雙精度的限制。
? 用戶必須確保足夠好的采樣以保證其編寫的函數能被分辨。
? 編輯采樣標簽以達成該采樣目的。
? 請注意：采樣可依據所定義的全局參數的實際值定義。
編程一個高斯光束
1. 高斯光束
當電場分量正交與給定的主傳輸方向，該電磁場可描述為一個基本的高斯光束。其束腰可由形式的數學表達式為：
2. 如何查找可編程光源：目錄
3. 如何查找可編程光源：光學系統
4. 可編程光源：全局參數
? 一旦打開編輯對話框，可轉到全局參數選項卡。
? 在此處，添加和編輯兩個全局參數:
- double WaistRadiusX = 1 mm (0mm, 1 m):高斯光束的半徑,在x方向束腰。
- double WaistRadiusY = 1 mm (0 mm, 1 m):高斯光束的半徑,在y方向的束腰。
5. 可編程光源：代碼段幫助
? 可選：您可以使用Snippet Help編寫指令、說明以及與代碼片段關聯的一些元數據。
? 此選項非常有助于跟蹤您可編程元件的進展。
? 這對于其他用戶后期處理可編程元件尤其有用。
6. 可編程光源：編寫代碼
7.
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：大功率激光系統的STOP分析 - 第2部分
在轉換過程中，該工具將自動添加光源和探測器。反射面將自動轉換為離軸反射鏡物體（物體 4）。
修改參考物體
自動生成的非序列模式文件中，物體將根據相對位置情況進行定位放置（如在序列模式系統中），而不是直接在全局坐標中定義它們的位置。這可以從非序列元件編輯器（NSCE）中的參考物體數據欄中看到。在我們添加體探測器物體之前，可以方便地將所有元件的參考物體修改為參考全局坐標。
以前用作坐標參考的空物體不再需要，并且可以在修改參考坐標后安全刪除。
更改光源的物體類型
在本例中，我們使用能更好地代表我們的激光光束波形的高斯光源來替換自動生成的橢圓光源物體。光束尺寸和位置是兩個與高斯光源物體相關的特定參數。要生成準直光束，請將位置參數保留為零。光束尺寸參數定義了照度中 1/e^2 點處的光束半徑。在本例中，我們將功率（瓦特）設置為800W，光束尺寸為 5mm，并為高斯光源指定 20 條布局光線和 1e6 條分析光線。
與系統相關的探測器設置
透鏡的繪圖分辨率和探測器屬性設置
除了添加體探測器物體，我們還將打開所有光學和光機元件的 物體作為探測器（Object is A Detector） 選項。這將幫助我們記錄這些物體表面吸收的照度。可以將任意形狀的大多數物體用作探測器來記錄非相干照度數據。這包括具有平面的物體，例如多邊形、STL 和矩形體物體。該選項可以在物體屬性……類型……探測器部分下啟用。選中該選項后，用于繪制物體的每個單獨的三角面可以變成單個像素，像素的數量與該物體的繪圖分辨率相關。探測到的輻照度既可以在實體模型中直觀地顯示，也可以在探測器查看器的文本選項卡中顯示為文本列表。
展開 VirtualLab：Ince高斯模式
摘要
除了Hermite和Laguerre高斯模式之外，近軸波動方程還有第三種嚴格的正交解族，即所謂的Ince高斯模式。這些解在橢圓坐標中定義，并且通過橢圓參數允許在Hermite和Laguerre高斯模式之間進行轉換。這些模式在光鑷和粒子捕獲應用領域具有優勢。此案例展示了VirtualLab Fusion中的Ince高斯光束光源，并展示了如何定義單個模式。
如何訪問Ince高斯模式光源？
您可以在光源/基本光源模型部分的光學設置中訪問Ince高斯模式光源。
級次定義 - 偶次多項式
級次定義 - 奇次多項式
尺寸
用戶可以通過設置模式的束腰半徑來確定場的大小和發散度。
橢率參數
根據橢率參數的不同，Ince高斯模式將介于Laguerre高斯和Hermite高斯模式之間！
與Hermite和Laguerre高斯模式的對比
文件信息
延伸閱讀
? Ince高斯光束產生渦旋陣列激光束的觀測
? Ince高斯光束的聚焦
展開 VirtualLab：Ince高斯模式
摘要
除了Hermite和Laguerre高斯模式之外，近軸波動方程還有第三種嚴格的正交解族，即所謂的Ince高斯模式。這些解在橢圓坐標中定義，并且通過橢圓參數允許在Hermite和Laguerre高斯模式之間進行轉換。這些模式在光鑷和粒子捕獲應用領域具有優勢。此案例展示了VirtualLab Fusion中的Ince高斯光束光源，并展示了如何定義單個模式。
如何訪問Ince高斯模式光源？
您可以在光源/基本光源模型部分的光學設置中訪問Ince高斯模式光源。
級次定義 - 偶次多項式
級次定義 - 奇次多項式
尺寸
用戶可以通過設置模式的束腰半徑來確定場的大小和發散度。
橢率參數
根據橢率參數的不同，Ince高斯模式將介于Laguerre高斯和Hermite高斯模式之間！
與Hermite和Laguerre高斯模式的對比
文件信息
延伸閱讀
□ Ince高斯光束產生渦旋陣列激光束的觀測
□Ince高斯光束的聚焦
展開 Ansys Zemax | 大功率激光系統的STOP分析2：如何進行光機械設計準備
在轉換過程中，該工具將自動添加光源和探測器。反射面將自動轉換為離軸反射鏡物體（物體 4）。
修改參考物體
自動生成的非序列模式文件中，物體將根據相對位置情況進行定位放置（如在序列模式系統中），而不是直接在全局坐標中定義它們的位置。這可以從非序列元件編輯器（NSCE）中的參考物體數據欄中看到。在我們添加體探測器物體之前，可以方便地將所有元件的參考物體修改為參考全局坐標。
以前用作坐標參考的空物體不再需要，并且可以在修改參考坐標后安全刪除。
更改光源的物體類型
在本例中，我們使用能更好地代表我們的激光光束波形的高斯光源來替換自動生成的橢圓光源物體。光束尺寸和位置是兩個與高斯光源物體相關的特定參數。要生成準直光束，請將位置參數保留為零。光束尺寸參數定義了照度中 1/e^2 點處的光束半徑。在本例中，我們將功率（瓦特）設置為800W，光束尺寸為 5mm，并為高斯光源指定 20 條布局光線和 1e6 條分析光線。
轉換至非序列模式組
透鏡的繪圖分辨率和探測器屬性設置
除了添加體探測器物體，我們還將打開所有光學和光機元件的 物體作為探測器（Object is A Detector） 選項。這將幫助我們記錄這些物體表面吸收的照度。可以將任意形狀的大多數物體用作探測器來記錄非相干照度數據。這包括具有平面的物體，例如多邊形、STL 和矩形體物體。
展開 
[VirtualLab] 二維叉形光柵產生渦旋光陣列
它通過在基底上刻蝕出具有特定拓撲荷的叉形相位結構，可直接將入射的基模高斯光束轉換為攜帶 OAM 的渦旋光束，具有設計靈活、衍射效率高、易于批量制備等顯著優勢。
隨著微納加工技術的飛速發展，二維叉形光柵的制備精度與性能不斷提升，不僅能實現單一拓撲荷的渦旋光束輸出，還可通過級聯或復用設計生成多通道、多模式的 OAM 光束陣列。這一技術突破，極大地推動了渦旋光束在光通信、光學操控及量子信息處理等領域的實用化進程，為下一代光子學器件的發展奠定了重要基礎。
建模任務
這一期為大家介紹的案例為二維叉形光柵產生渦旋光陣列，如圖1所示。在本案例中用到光源為高斯光源，波長為532nm，束腰直徑為200μm。用可編程透過率函數模擬二維叉形光柵，經過透鏡后查看在焦平面的光場分布。在焦平面通過光闌篩選特定級次后查看特定的衍射級次。如圖1所示為本案例的裝置圖。
圖1. 二維叉形光柵產生渦旋光陣列示意圖
二維叉形光柵的結構如圖2所示，為水平叉形光柵和豎直叉形光柵的疊加，公式參考文獻3. 沿著x方向和y方向的光柵周期為28μm，沿著x和y方向的拓撲荷均為2，振幅因子γx和γy為0.5.
圖2. 二維叉形光柵結構，由x和y叉形光柵疊加形成
建模過程
在VirtualLab Fusion中新建光路，添加高斯光源（Gaussian Wave），波長設置為532nm，束腰半徑設置為100μm。添加可編程透過率函數（Programmable Function），在變量區域依次添加變量GratingPeriod_x、GratingPeriod_y，l_x、l_y, gamma_x和gamma_y，在代碼區域寫入對應的代碼。同時再添加兩個可編程透過率函數，分布用于模擬x方向叉形光柵和y方向叉形光柵。添加透鏡，焦距為125mm，設置到之前器件的距離為125mm。
展開 VirtualLab Fusion：設計衍射擴散器以生成線聚焦
光路圖
雙擊高斯波長光源
高斯光源設置
? 關掉生成截面區域。
? 點擊Ok按鈕。
? 在光路圖上，點擊Go!
6. 模擬結果
在目標平面上的二維強度分布
7. 總結
? VirtualLab Fusion幫助客戶設計生成散射線或高帽的衍射光學元件。
? 輔助設計步驟也使那些在衍射光學方面無經驗的光學工程師能夠完成各類衍射元件的設計工作。
利用衍射擴散器使準分子激光光束均勻化
模擬結果
目標面上單個模式的強度
目標面上11×11個模式的強度
結論
· VirtualLab可以模擬光源的空間部分相干性。
· 使用不同的光源模式：多模高斯光束，高斯型平面光源，自定義模式平面光源（Customized Mode Plane Source）。
· 利用發散器模擬均勻化系統（homogenization systems）是可行的。
VirtualLab運用：利用衍射擴散器使準分子激光光束均勻化
模擬結果
目標面上單個模式的強度
目標面上11×11個模式的強度
結論
· VirtualLab可以模擬光源的空間部分相干性。
· 使用不同的光源模式：多模高斯光束，高斯型平面光源，自定義模式平面光源（Customized Mode Plane Source）。
· 利用發散器模擬均勻化系統（homogenization systems）是可行的。
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