衍射模擬VirtualLab Fusion的案例
VirtualLab Fusion：模擬由衍射光束整形器和非球面透鏡組成的非近軸光束整形系統
MO.001（1.3）
作者：Michael Kuhn （LightTrans）
相關案例：23.01
相關教程：-
需求：VirtualLab Fusion-基本工具箱
許可證：CC-BY-SA 3.0
1.建模任務
? 偏振：x方向的線性偏振
? 激光直徑（1/e2）：3.26mm
? 波長：632.8nm
衍射光束整形器元件傳輸
像素大小：21.5×21.5um
像素：250×250
直徑：5.4×5.4mm
相位級次：4
2.光路圖
開始光學系統仿真
3.系統仿真
? 目標屏上的強度
? 效率：72%
? 均勻性誤差：3.7%
4.結論
? 可以仿真近軸和非近軸透鏡以及透鏡系統。
? 已存儲的傳輸函數允許將任意振幅和相位調節引入到光波。
? 允許仿真衍射光學元件產生的效應。
展開 [VirtualLab論文] VirtualLab Fusion仿真精密玻璃模壓成型所造成的衍射條紋
[圖片]
[VirtualLab] 干涉儀中平臺樣品的衍射效應 — 通過使用Virtuallab Fusion中的分布式進
整個模擬時間將接近一個小時。通過使用VirtualLab Fusion中的分布式計算技術，在6臺多核PC機上使用24個客戶端網絡，可以將仿真時間縮短到4分鐘以內。
基本模擬任務
基本任務集合：波長
使用分布式計算的集合模擬
概述模擬時間
節省93%的計算時間！??！
文件信息
VirtualLab Fusion：衍射透鏡元件
理想光柵函數是由衍射階數、各階次衍射和衍射透鏡的波前相位響應決定的。它的工作不提供關于透鏡(理想衍射透鏡)的實際形狀的信息。
更多的信息：Local Linear Grating Approximation (LLGA) Idealized Grating Functions
實衍射透鏡的參數設置
對于衍射透鏡的真實結構，VirtualLab Fusion通過應用薄元近似(TEA)計算透鏡的高度。此外，通過使用薄元近似(TEA)和傅里葉模態法 (FMM)算法的組合自動評估階次的效率。此外，用戶可以指定衍射元件的特征，如設計波長和所需的分層。
也可以通過使用Export Structure按鈕導出設計的高度剖面。
可用結構的高度計算(TEA)
衍射曲面高度結構定義為：
可選參數-分層水平
總結：真實衍射透鏡計算方法
用傅里葉模態法/嚴格耦合波分析(FMM/RCWA)或薄元近似(TEA)的局部線性光柵近似(LLGA)來計算真實的衍射透鏡表面。其步驟是：
1. 將曲面上的輸入場處理為局部平面波(LPWs)的合成。
2. 每個LPW所看到的表面部分被認為是線性光柵 (局部)。
3. 用FMM/RCWA或TEA模擬了LPW與局域線性光柵的相互作用。
4. 對于真實的衍射透鏡，VirtualLab Fusion會自動在FMM/RCWA和TEA之間進行選擇。如果本地光柵周期大于波長的5倍，則使用TEA。否則，將使用FMM/RCWA對實際結構進行建模。
展開 
VirtualLab Fusion應用：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，根據傅里葉理論預測，這種周期性會導致入射光在透射和反射中被分成一組離散的級次。這些傳播級次的數量，以及每個級次的偏轉角度，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。這種依賴關系在數學上被編碼在光柵方程中。在這個使用案例中，我們介紹了VirtualLab Fusion的衍射角計算器，這是一種用于涉及光柵方程計算的便捷工具。
打開衍射角計算器
設置輸入參數
選擇要顯示的衍射級次
光柵方程
衍射級次圖
衍射級次圖
示例
在一般光學設置中的示例
文件信息
更多閱覽
- 傅里葉模態法對閃耀光柵的分析
- 薄元近似法（TEA）與傅里葉模態法（FMM）在光柵建模中的比較
展開 VirtualLab Fusion應用：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，根據傅里葉理論預測，這種周期性會導致入射光在透射和反射中被分成一組離散的級次。這些傳播級次的數量，以及每個級次的偏轉角度，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。這種依賴關系在數學上被編碼在光柵方程中。在這個使用案例中，我們介紹了VirtualLab Fusion的衍射角計算器，這是一種用于涉及光柵方程計算的便捷工具。
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衍射級次圖
衍射級次圖
示例
在一般光學設置中的示例
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-傅里葉模態法對閃耀光柵的分析
-薄元近似法（TEA）與傅里葉模態法（FMM）在光柵建模中的比較
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打開衍射角計算器
衍射光柵的定義特征是其結構的周期性，根據傅里葉理論預測，這種周期性會導致入射光在透射和反射中被分成一組離散的級次。這些傳播級次的數量，以及每個級次的偏轉角度，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。這種依賴關系在數學上被編碼在光柵方程中。在這個使用案例中，我們介紹了VirtualLab Fusion的衍射角計算器，這是一種用于涉及光柵方程計算的便捷工具。
VirtualLab Fusion應用：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，根據傅里葉理論預測，這種周期性會導致入射光在透射和反射中被分成一組離散的級次。這些傳播級次的數量，以及每個級次的偏轉角度，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。這種依賴關系在數學上被編碼在光柵方程中。在這個使用案例中，我們介紹了VirtualLab Fusion的衍射角計算器，這是一種用于涉及光柵方程計算的便捷工具。
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選擇要顯示的衍射級次
光柵方程
衍射級次圖
衍射級次圖
示例
在一般光學設置中的示例
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-傅里葉模態法對閃耀光柵的分析
-薄元近似法（TEA）與傅里葉模態法（FMM）在光柵建模中的比較
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摘要
衍射光柵的定義特征是其結構的周期性，根據傅里葉理論預測，這種周期性會導致入射光在透射和反射中被分成一組離散的級次。這些傳播級次的數量，以及每個級次的偏轉角度，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。這種依賴關系在數學上被編碼在光柵方程中。在這個使用案例中，我們介紹了VirtualLab Fusion的衍射角計算器，這是一種用于涉及光柵方程計算的便捷工具。
打開衍射角計算器
設置輸入參數
選擇要顯示的衍射級次
光柵方程
衍射級次圖
衍射級次圖
示例
在一般光學設置中的示例
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-傅里葉模態法對閃耀光柵的分析
-薄元近似法（TEA）與傅里葉模態法（FMM）在光柵建模中的比較
展開 VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優化（1）
VirtualLab Fusion：基本工具箱+衍射工具箱
1.建模任務
? 這個案例演示了設計一個理想化微結構的光束整形鏡。
? 光束整形鏡產生一個任意相位調制（非離散相位級次）。
? 反射鏡將高斯激光束整形成一個圓形高帽。
? 這個案例將演示計算反射鏡的光學函數。
? 在開始此案例之前，我們迫切建議您閱讀案例LBS.001和545。
入射激光光束
? 波長：632.8nm
? 激光光束直徑（1/e2）：2.5mm
? 發散角（全角1/e2）：≈0.01°
? M2值：1
目標平面上期望強度分布
? 直徑（FWHM）；3mm
? 邊緣寬度（能量從90%衰減到10%）：70um
? 效率：>90%
? 信噪比（SNR）：>40dB
2.設計概念
? 設計沒有離散相位級的光束整形透過函數。
? 第一步：忽略反射鏡并且計算一個衍射光束整形器的透過率函數。
? 第二步：由透射光束整形器的光學函數計算反射鏡的光學函數。
第一步
優化一個衍射光束整形器的透過率函數
1.
展開 VirtualLab Fusion：衍射級次偏振狀態的研究
VirtualLab Fusion通過應用傅立葉模態法（FMM），以簡易的方式提供對任意光柵結構進行嚴格分析。在光柵工具箱中，可以在堆棧中使用界面或/和介質來配置周期性結構。 用于設置堆棧幾何形狀的用戶界面非常人性化，并且允許生成更復雜的光柵。在該用例中，討論了由FMM實現衍射級次偏振狀態的研究。
概述
?本文的主題是光在周期性微結構處的衍射后的偏振態。
?為此，如示意圖所示，在示例性二元光柵結構和錐形入射處研究零級反射光。
?為了在特定示例中討論該主題，在第二部分中根據Passilly等人的工作（2008年）選擇光柵配置和相應參數。
衍射級次的效率和偏振
?通常，為了表征光柵的性能，給出了傳播級次的效率（η）。
?該效率值包括該特定級次的所有光的能量，但并不區分最終出現的不同偏振狀態。
?在嚴格模擬光柵效率的過程中，例如利用傅里葉模態法，通過使用復數場求解均勻介質的波動方程（也稱為亥姆霍茲方程）。
?因此，對于每個衍射級次（??）和偏振態，算法的結果以復數值瑞利系數給出。
?特定級次（??）的效率表示入射光的功率與輸出衍射級的光功率之間的關系。它是從瑞利系數計算出來的。
光柵結構參數
?此處探討的是矩形光柵結構。
?為簡單起見，選擇光柵的配置，僅使反射中的零級次（R0）傳播光線。
?因此，選擇以下光柵參數：
- 光柵周期：250 nm
- 填充系數：0.5
- 光柵高度：200 nm
- 材料n1：熔融石英
- 材料n2：TiO2（來自目錄）
偏振狀態分析
?使用不同錐形入射角（φ）的TE偏振光照射光柵。
?如上所述，瑞利系數的平方幅值將提供有關特定級次的偏振狀態信息。
展開 
VirtualLab Fusion：衍射光束整形鏡的優化（2）
結論
? VirtualLab Fusion可以設計衍射光束整形元件來將單模激光光束塑造成任意二維強度分布。
? 可以通過衍射透射DOEs以及反射DOEs進行光束整形。
? 通過對透射DOE的光學函數進行數值計算從而獲得反射DOEs的光學函數。
VirtualLab Fusion：眼內衍射透鏡的設計與分析
通過改變二元結構的高度，我們進一步研究了衍射透鏡的性能。
設計任務
模擬與設置：單一平臺的交互性
建模技術的單平臺的交互性
光在系統中傳播時會遇到不同的組件并與之相互作用。我們需要一個合適而靈活的模型，在精確度和速度之間為系統中的每一個元素提供良好的折衷：
1.光源
2.人眼角膜和瞳孔
3.眼內衍射透鏡
4.自由空間傳播
5.探測器
連接建模技術：眼角膜和瞳孔
透鏡系統的現有建模技術 ：
由于將角膜和瞳孔（以及兩者之間的房水）視為一個薄的元素會導致很大的誤差，因此選擇了Local Linear Interface Approximation (LPIA)來確保適當的精度。
鏡頭系統組件
Lens System Component允許用戶輕松定義一個由平滑表面和各向同性的同質介質組成的組件。對于表面和材料，您可以從內置目錄中選擇現成的條目，也可以自定義條目，以獲得最大的靈活性。
從 OpticStudio 導入Optical System
光學設置的配置以及Binary 2表面的波前相位響應設計均在 Zemax OpticStudio? 中生成。
VirtualLab Fusion 提供了導入光學設置并將其合并為單一光學設置配置的功能。
* 注：波面相位響應的設計也可在 VirtualLab Fusion 中實現。
連接建模技術：眼內衍射透鏡
微結構光柵的現有建模技術：
根據設計，衍射透鏡的局部周期并不是恒定的。局部線性光柵近似（LLGA）算法會自動確定每個點的局部周期，并相應地應用 TEA 或 FMM，從而提供速度和精度的最佳組合。
展開 VirtualLab Fusion：設計衍射擴散器以生成線聚焦
5) 衍射光學元件孔徑參數，透過率參數以及周期、像素尺寸等設置
6) 設計參數匯總界面
3. 應用迭代傅里葉變換算法對擴散器進行優化
通過點擊Start（開始），開始進行優化設計。
4. 光路圖
點擊Go！（運行）獲得模擬結果
5. 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。
展開 [VirtualLab Fusion ]光柵區域衍射級數和效率的規范
1.摘要
為了模擬AR和MR設備，VirtualLab Fusion 提供了光導組件。為了耦合，可以在光導的表面上定義光柵區域，并可非常靈活地對這些區域進行配置：區域的形狀、它的通道、光柵的參數和要通過系統跟蹤的光柵階數，以及用于模擬光與光柵相互作用的方法。光柵可由用戶隨意調整。在這個用例中，我們專注于光柵相關方面的配置：選擇要模擬的光柵級次以及其確定效率的不同機制（理想化或嚴格化）。
2.建模任務
3.系統計算
4.區域定義
5.選擇光柵級次和仿真
光柵階定義
理想和真實光柵的效率設置
1.理想光柵效率設置
所有級次的光柵效率設置
2.可編程效率設置
所有級次的光柵效率設置
?效率的可編程選項使用與恒定選項相同的假設（參見前文），以便根據效率值建立矢量行為。
?然而，可編程模式使用戶可以更靈活地分配效率值，該值取決于其他系統參數，如波長、入射平面波方向和其他用戶定義的全局參數。
?編輯按鈕打開源代碼編輯器以輸入相應的代碼片段。它還帶有一個有效性指示器和其他選項卡，例如，可以聲明附加參數（以多種數據格式）以供后續在代碼中使用。
3.實際光柵效率設置
?在對真實光柵運行一次模擬后，關于該光柵如何變換輸入場的計算信息會自動存儲在查找表 (LUT) 中，因此不必重復相同的（可能在數值上成本高昂）模擬。
?如果任何可能影響光柵響應的系統參數被修改（波長、平面波方向），當再次運行模擬時，新信息會添加到 LUT。
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