衍射光學的案例
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 Ansys Zemax | 如何使用 Binary2 面型設計衍射光學元件
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概述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中建立衍射光學表面以及如何使用 Binary2（二元面2）模擬衍射光學元件。本文使用的示例文件請聯系工作人員下載。
Binary2 面型
Zemax LLC 感謝 Optics1 公司的 Robert E.Fischer 先生授權使用其著作《Optical System Design》中的圖表。
在 OpticStudio 中，許多表面除了可以定義折射光焦度以外，還可以定義衍射光焦度。衍射光焦度與材料折射率和表面矢高無關，但可以改變光的相位。有關建立衍射光學表面的詳細信息，見文章“OpticStudio 建模衍射光學表面”。
Binary2 中的衍射光焦度會在光學表面的截面上引入連續的相位變化：
其中系數 Ai 的單位為弧度。
由于相位變化在表面的截面上是連續的，因此 Binary2 面型模擬的是一個理想的二元衍射元件，其二元面的臺階尺寸趨近于無窮小或小于光的波長。
通常來講，Binary2 面型模擬衍射光學元件的環形衍射區 ( Diffraction Zones) 的尺寸與該區域到表面頂點的徑向距離有關，如下圖所示。OpticStudio 可以自動計算每個環形衍射區的徑向坐標使相鄰區域的相位差為 2π。
Binary2 面型在固定徑向坐標處所引入的附加相位與波長無關。與波長相關的光程由下式給出：
下圖布局圖所示為 Binary2 的色差：
Binary2 消色差單透鏡
Binary2 面型經常用來矯正色差。在一個簡單的單透鏡中，長波長光的焦距相比短波長的光更長，如下圖（a）。
展開 利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用 ZPL 計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
介紹
本文ZPL宏可用于計算旋轉對稱 Kinoform 透鏡表面（OpticStudio 中為 Binary2 面型）的相位（phase）以及矢高（Sag）。使用者需在運行宏前輸入半徑（Radius）每隔多長時間重復計算一次，之后宏會計算出每個半徑值對應的矢高并給出相應的衍射區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）。除此以外，該宏還會計算出每個區域的輪廓頻率（Profile Frequency，單位為waves/mm）作為生產難易的評估參數。
表面矢高的一般形式如下：
其中 C=1/R，R為半徑；K為圓錐系數；ρ 為徑向坐標；A2,4,6,8…為非球面系數。λ 為波長；N為透鏡折射率；C2,4,6,8…為相位系數。
步長（Step Height）計算公式如下：
衍射光學元件（DOE）表面輪廓如下，單位為弧度:
其中 R 為歸一化半徑。
典型的衍射光學元件輪廓如下：
輸入
輸入表面編號以及迭代半徑間隔就可以計算出表面矢高。如下圖所示：
輸出
宏會輸出區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）以及輪廓頻率（Profile Frequency）。
展開 
衍射光學元件的產生及其結構數據的輸出
本案例計算從傳輸中得到的衍射光學元件的高度分布和結構數據的產生
關鍵詞：衍射光學，衍射光學元件，結構數據，GDSII，ASCII，位圖
所需工具箱：Diffractive Optics Toolbox Basic；Tutorial在試用版本中不可用。聯系LightTrans或者當地經銷商可申請一段全版本的試用。
相關Tutorials：DO.1; DO.2; DO.3; DO.4; DO.5; DO.7; LBS.1; LBS.2
建模任務
照射光束強度 衍射擴散器 產生的光圖樣強度
建模任務
2 擴散器參數：
—相位層：4
—像素尺寸：830*830nm
—口徑：1*1mm
—周期：664,83*664,83um
2 結構數據輸出為二進制格式
2 需要的高度分布計算
2 蝕刻掩模分解
2 蝕刻掩模輸出為位圖和GDSII文件
打開光學擴散器系統
2 上載文件
DO.008_Generation_of_DOE_Fabrication_Data_01.lpd.
2 文件在VL_Samples文件夾中
光學擴散器系統
2 點擊Go!按鈕開始模擬擴散器系統.
模擬結果
2 擴散器系統產生的光圖樣強度分布
傳輸器提取
2 雙擊光路徑圖中的Stored Transmission打開編輯對話框
傳輸器(transmission)提取
2 點擊Show按鈕顯示光路中的transmission.
展開 Ansys Zemax | 設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
詳細解釋了使用相位面來模擬衍射光學的概念。我們還提供了3個 DLLs 供用戶下載。這些 DLL 是為模擬特殊的衍射光學情形而定制的，目前 OpticStudio 的原生表面類型不支持這些衍射光學情形。
參考文獻
[1] Chen, W.T., Zhu, A.Y. & Capasso, F. Flat optics with dispersion-engineered metasurfaces. Nat Rev Mater 5, 604–620 (2020). https://doi.org/10.1038/s41578-020-0203-3
[2] Faraji-Dana, M., Arbabi, E., Arbabi, A. et al. Compact folded metasurface spectrometer. Nat Commun 9, 4196 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-06495-5
[3] https://support.lumerical.com/hc/en-us/articles/360042097313-Metalens-Zemax-Interoperability
[4] Anna Nemes-Czopf, Dániel Bercsényi, and Gábor Erdei, “Simulation of relief-type diffractive lenses in ZEMAX using parametric modelling and scalar diffraction,” Appl.
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 高麗大學研究團隊實現全球最高效率的AR·VR顯示用衍射光學元件
CINNO Research產業資訊，高麗大學研究團隊成功實現了具有全球最高效率、用于增強現實（AR）·虛擬現實（VR）顯示用的衍射光學元件。
根據韓媒Newsis報道，該研究成果于8月13日在國際權威學術期刊《Advanced Materials（先進材料）》上發表，影響因子為27.4。
來自高麗大學融合能源工程系的李承宇教授和化學與生物醫學工程系的方俊河教授領導的研究團隊，通過采用AR/VR顯示器中的傅里葉光學表面（Optical Fourier Surface, OFS）技術，實現了光的高衍射效率。
增強現實和虛擬現實（AR/VR）顯示具有廣泛的應用前景，不僅限于建筑、教育、游戲和國防領域，還深入滲透到我們的日常生活中。
傅里葉光學表面在可見光譜范圍內具有理論上的最大衍射效率，它是一種理想的正弦衍射光學元件，能夠最大限度地減少光損耗。然而，由于其在可見光波段的高吸收特性和低光學效率，傳統上難以直接應用于光學器件。高麗大學研究團隊率先突破了這些限制，率先開發出在整個可見光范圍內實現了理論上的最大衍射效率、實現光學特性改善的光學器件。（來源：高麗大學）
研究團隊所使用的傅里葉光學表面是該技術的核心。這種元件具有完美的正弦表面，能夠有效減少光學損耗。團隊還開發了一種創新技術，能夠在高折射率且對可見光透明的材料中快速形成OFS，從而在全球范圍內首次解決了現有OFS器件高光吸收和低衍射效率的難題。
采用研究團隊所開發的此項技術，OFS設備在運行時能夠將光損耗降至最低，并在整個可見光范圍內以最高的衍射效率運行。此外，通過引入可打印光學系統和納米壓印技術來制造傅里葉光學表面，研究團隊還實現了傳統方法難以企及的高工程良率。
為實現創新型光學元件應用，大量生產的傅里葉光學表面。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
根據該方程，每個波長有不同的衍射角，且其相應光斑將略微移動到不同的位置。如果中心偏差與焦平面上的光斑尺寸數量級相仿，則光斑為橢圓形。
由于脈沖光譜的每個波長將具有略微不同的衍射角，所以對于更寬的波長范圍（或更短的脈沖持續時間），其橢率更大。
我們還知道元件的零級衍射（光通過DOE非衍射的部分）與波長相關，這意味著使用非標稱波長時其值會按同一比例增加，因此在使用USP時，可以看到明顯的零級衍射。
使用VirtualLab仿真，研究了USP對各種DOE的影響。對于每種DOE，可以對包括高斯光源（單一波長或光譜），DOE，消色差聚焦透鏡和焦平面處用于觀察結果的虛擬屏幕等進行光學設置。然后光通過設置使用傳統的光線追跡（一種遠場物理光學傳播工具）傳播，為了便于示范，選擇不同的入射光束直徑來突出可能產生的結果。
渦旋透鏡
也稱為螺旋相位板，渦旋透鏡將高斯輸入剖面轉換成一個donut或者方形能量環。渦旋透鏡的典型應用包括光學捕獲、量子光學和高分辨率顯微鏡。
螺旋相位板是一個獨特的光學元件，其結構是由螺旋或螺旋相位步驟組成，目的是控制傳輸光束的相位。其拓撲電荷，在文獻中表示為m，指的是2π的循環次數（鋸齒）蝕刻衍射表面的360°轉變。
對于m=1的渦旋透鏡元件，VirtualLab仿真顯示不管輸入是一個高斯脈沖或100fs超快脈沖（見圖1），其對DOE的影響很小。對于圓對稱元件，強度沿著環形點分布，使它幾乎不可能探測到任何光斑大小的變化。換句話說，這些變化并不發生在方位平面上，而徑向平面上發生的變化與光斑整形無關。同時，既然這不是一個周期結構，橢率或零階的影響也無關緊要。
衍射錐透鏡
錐透鏡將一束激光轉換成一個環形狀（近場的貝塞爾強度輪廓）。它還將點光源成像成沿光軸的一條線，而且還增加了景深。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
對于每種DOE，可以對包括高斯光源（單一波長或光譜），DOE，消色差聚焦透鏡和焦平面處用于觀察結果的虛擬屏幕等進行光學設置。然后光通過設置使用傳統的光線追跡（一種遠場物理光學傳播工具）傳播，為了便于示范，選擇不同的入射光束直徑來突出可能產生的結果。
渦旋透鏡
也稱為螺旋相位板，渦旋透鏡將高斯輸入剖面轉換成一個donut或者方形能量環。渦旋透鏡的典型應用包括光學捕獲、量子光學和高分辨率顯微鏡。
螺旋相位板是一個獨特的光學元件，其結構是由螺旋或螺旋相位步驟組成，目的是控制傳輸光束的相位。其拓撲電荷，在文獻中表示為m，指的是2π的循環次數（鋸齒）蝕刻衍射表面的360°轉變。
對于m=1的渦旋透鏡元件，VirtualLab仿真顯示不管輸入是一個高斯脈沖或100fs超快脈沖（見圖1），其對DOE的影響很小。對于圓對稱元件，強度沿著環形點分布，使它幾乎不可能探測到任何光斑大小的變化。換句話說，這些變化并不發生在方位平面上，而徑向平面上發生的變化與光斑整形無關。同時，既然這不是一個周期結構，橢率或零階的影響也無關緊要。
衍射錐透鏡
錐透鏡將一束激光轉換成一個環形狀（近場的貝塞爾強度輪廓）。它還將點光源成像成沿光軸的一條線，而且還增加了景深。由于其獨特的性質，衍射錐透鏡應用很廣，如原子陷阱，望遠鏡和激光鉆孔。
類似渦旋透鏡，不論衍射錐透鏡的輸入脈沖是高斯或超短（見圖2），輸出幾乎都沒有變化。VirtualLab仿真和實驗實踐指出渦旋透鏡有著類似結果，并幫助理解了沒有零階衍射以及光斑大小、形狀沒有變化的現象。
Top Hats
Top-hat光束整形器是用來將一束近高斯入射激光光束在一個特定的工作平面轉換到一個均勻性強度（平滑）的圓形，矩形，正方形，線形或其他有銳邊的形狀。
展開 Ansys Zemax | 如何在OpticStudio中設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
圖4 菲涅爾波帶片圖像平面上的POP結果
請注意，POP是基于標量衍射理論的，所以它不適合于光柵常數通常為亞波長量級的metalens。
2. 相位面
等效相位面是一種被廣泛采用的DOE設計方法。它的一大優勢是可以自然地與光線追跡引擎一起工作，從而利用OpticStudio中的大多數工具。缺點是，在根據給定的相位面計算得出微結構后，我們目前還沒有辦法在OpticStudio中考慮衍射效率。相位面提供了足夠的信息來計算光線衍射到哪里。然而，并沒有關于衍射光線應包含的能量信息。為了獲取這個能量信息，我們需要其他工具來計算衍射效率。
圖5顯示了一個人工晶狀體上的衍射表面如何將光線衍射的例子。通過相位圖，我們很容易知道每個階次的衍射光線的方向。在圖3中，繪制了來自衍射-1（紅色）階、0（藍色）階和+1（綠色）階的光線。目前，每個衍射階數的衍射效率無法計算。換句話說，我們有可能知道每個衍射階數的光斑是什么樣子的，但是這些階數的能量分布仍然是未知的。
圖5 這是一個衍射人工晶狀體設計的例子。衍射表面是由Binary2表面表征的。布局中的光線是由DOE衍射的。畫出了-1（紅色）、0（藍色）和+1（綠色）階的光線路徑。請注意，還有更多階沒有畫出來。
在這一節中，討論相位面的確定，用相位面進行光線追跡，以及如何推導出微結構。
2.1 獲取相位分布
以下是在許多metalens論文中常見的表征相位面的方程式：
然而，這個公式只適用于小視場（FOV）。對于大的FOV，最佳的相位分布需要在幾個視場角和波長之間進行折衷考量。
參考文獻[1]中有一節也解釋了在OpticStudio中設計相位面的概念。請注意，如果它是離軸設計，相位分布也可以是不對稱的[2]。
展開 
高數值孔徑圖形圖案擴散器的設計與優化
案例385（2.0）
關鍵字：大角度設計，補償，枕形，桶形，畸變，強度衰減，信號場準備，衍射光學元件，損耗，期望光目標圖案，迭代傅里葉變換算法
1. 建模描述
設計擴散器以在遠場生成高數值孔徑光圖案
? 光源參數：
— 高斯光源波長：532nm
— 根據最終的衍射光學元件選擇合適的直徑
? 系統參數：
— 衍射元件到屏幕距離：z=0.5m
? 輸出場要求：
— 期望光圖案：1.0m×0.5m網格
— 光圖案期望分辨率：±0.5mm
（目標平面上相鄰衍射級次間的最小距離：?xTP=1mm（離軸））
— 目標圖案來源于文件
“Sc385_HighNA_DiffuserDesign_01_DesiredLightPattern.bmp”
? 衍射光學元件參數：
— 衍射元件的相位階數：4
2. 設計類型與步驟
遠場應用
優化衍射光學元件用以生成高數值孔徑角分布。
信息
衍射光學元件在波數域上生成一個角分布(kx，ky)。
設計步驟
A. 計算衍射光學元件的像素尺寸、周期和像元數。
B. 根據參數計算結果預先設置傅里葉迭代法優化文檔。
C. 根據靶面上期望的光強分布在波數域上生成一個具有預補償角的光分布，并作為設計目標圖形?？梢灶愃频亩x一個特定的優化范圍。
D. 傅里葉迭代法優化文件的最終設置(定義實際的設計目標圖案)。
A. 計算
1.
展開 高數值孔徑圖形圖案擴散器的設計與優化
案例385（2.0）
關鍵字：大角度設計，補償，枕形，桶形，畸變，強度衰減，信號場準備，衍射光學元件，損耗，期望光目標圖案，迭代傅里葉變換算法
1. 建模描述
設計擴散器以在遠場生成高數值孔徑光圖案
? 光源參數：
— 高斯光源波長：532nm
— 根據最終的衍射光學元件選擇合適的直徑
? 系統參數：
— 衍射元件到屏幕距離：z=0.5m
? 輸出場要求：
— 期望光圖案：1.0m×0.5m網格
— 光圖案期望分辨率：±0.5mm
（目標平面上相鄰衍射級次間的最小距離：?xTP=1mm（離軸））
— 目標圖案來源于文件
“Sc385_HighNA_DiffuserDesign_01_DesiredLightPattern.bmp”
? 衍射光學元件參數：
— 衍射元件的相位階數：4
2. 設計類型與步驟
遠場應用
優化衍射光學元件用以生成高數值孔徑角分布。
信息
衍射光學元件在波數域上生成一個角分布(kx，ky)。
設計步驟
A. 計算衍射光學元件的像素尺寸、周期和像元數。
B. 根據參數計算結果預先設置傅里葉迭代法優化文檔。
C. 根據靶面上期望的光強分布在波數域上生成一個具有預補償角的光分布，并作為設計目標圖形?？梢灶愃频亩x一個特定的優化范圍。
D. 傅里葉迭代法優化文件的最終設置(定義實際的設計目標圖案)。
A. 計算
1. 根據信號場沿x方向擴展的一個合理的初始值計算衍射光學元件的最小像素（特征）尺寸(此處xmax SF僅有0.75m):
將此值近似到一個可加工尺寸 (?x’DOE)以兼顧制造者加工過程中對于位置增加以及最小特征尺寸的加工能力。此處近似后，?x’DOE=320nm。
展開 【VirtualLab運用】高數值孔徑圖形圖案擴散器的設計與優化
案例385（2.0）
關鍵字：大角度設計，補償，枕形，桶形，畸變，強度衰減，信號場準備，衍射光學元件，損耗，期望光目標圖案，迭代傅里葉變換算法
1.建模描述
設計擴散器以在遠場生成高數值孔徑光圖案
?光源參數：
—高斯光源波長：532nm
—根據最終的衍射光學元件選擇合適的直徑
?系統參數：
—衍射元件到屏幕距離：z=0.5m
?輸出場要求：
—期望光圖案：1.0m×0.5m網格
—光圖案期望分辨率：±0.5mm
（目標平面上相鄰衍射級次間的最小距離：?xTP=1mm（離軸））
—目標圖案來源于文件
“Sc385_HighNA_DiffuserDesign_01_DesiredLightPattern.bmp”
?衍射光學元件參數：
—衍射元件的相位階數：4
2.設計類型與步驟
遠場應用
優化衍射光學元件用以生成高數值孔徑角分布。
信息
衍射光學元件在波數域上生成一個角分布(kx，ky)。
設計步驟
A.計算衍射光學元件的像素尺寸、周期和像元數。
B.根據參數計算結果預先設置傅里葉迭代法優化文檔。
C.根據靶面上期望的光強分布在波數域上生成一個具有預補償角的光分布，并作為設計目標圖形?？梢灶愃频亩x一個特定的優化范圍。
D.傅里葉迭代法優化文件的最終設置(定義實際的設計目標圖案)。
A. 計算
1.根據信號場沿x方向擴展的一個合理的初始值計算衍射光學元件的最小像素（特征）尺寸(此處xmax SF僅有0.75m):
將此值近似到一個可加工尺寸 (?x’DOE)以兼顧制造者加工過程中對于位置增加以及最小特征尺寸的加工能力。此處近似后，?x’DOE=320nm。
展開 光學系統衍射效應分析棘手？OAS 軟件菲涅爾衍射來解惑
菲涅爾衍射案例分析
簡介
菲涅爾衍射作為光學領域中一種關鍵的衍射現象，其核心特征在于考慮光波的波前曲率，并用菲涅耳積分對衍射圖樣進行精準描述。與夫瑯禾費衍射相比，菲涅爾衍射主要展現光通過小孔或障礙物后，在近場（即距離衍射屏較近的區域）形成的獨特衍射圖樣。本案例使用 OAS 光學軟件，對菲涅爾衍射現象展開細致模擬與分析，旨在為相關領域的研究和實際應用提供有力的技術支撐與理論參考。
案例設置與操作
光源參數配置
為精準模擬菲涅爾衍射現象，本案例構建了特定的光學系統。系統中設置了一個簡易光束光源，其半孔徑為 1mm，波長設定為 0.6283μm。該波長處于可見光波段，在光學實驗和實際應用中具有典型性。同時，將光源與探測器之間的距離設定為 1mm，這一距離配置符合菲涅爾衍射近場研究的條件，能夠有效捕捉近場范圍內衍射圖樣的特征。
光源與探測系統建模
OAS 光學軟件擁有強大的建模能力，可實現對各類光學系統的精確構建。在本案例中，軟件成功完成了簡易光束光源的參數化建模，準確設置了光源的半孔徑和波長參數，確保光源的特性與設計要求完全吻合。對于探測器，軟件通過內置的光學探測模塊進行配置，精準設定了光源與探測器之間的距離參數，為菲涅爾衍射圖樣的探測搭建了穩定的模擬環境，保障了后續數據采集的準確性。
波前追跡與衍射模擬
在本案例中，軟件對光束光源發出的光波進行了全面且精確的波前追跡，詳細計算了光波在傳播過程中的波前曲率變化，以及通過傳播到達探測器過程中的相位和振幅演變?；诜颇e分原理，軟件對光波在探測器處的疊加效果進行計算，從而精準模擬出菲涅爾衍射條紋，為后續的分析提供了清晰、直觀的可視化結果。
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