相位結構的案例
[VirtualLab] 產生長焦深Bessel光束的HOE設計
通過疊加準直透鏡透過率函數和軸錐鏡透過率函數生成HOE的結構，利用探測器探查后方光場的分布。
圖1. HOE產生具有長焦深的貝塞爾光束
建模過程
光路編輯器如圖2所示，HOE放置在光源后方1.5mm位置，在HOE后700μm處放置了一個探測平面。探測器602、601和600分布探測HOE前表面、后表面和HOE后700μm的光場分布。
圖2. 光路編輯器
HOE的相位結構如圖3所示，在HOE元件的編輯對話框中通過可編程透過率函數編程了透鏡相位和軸錐鏡相位響應。對應的相位結構可以在圖3右側看到。這里設置透鏡焦距為1.5mm，軸錐鏡的角度為7°。VirtualLab Fusion支持導出各種格式的加工文件，如ASCII, Plain Text, bmp, CIF, GDSII等。
圖3. HOE的相位結構（聚焦透鏡相位+軸錐鏡相位）以及加工文件預覽與導出
為了探查長焦深Bessel光束的縱向分布，需要用到Parameter Run的功能，原理是改變探測器的位置，然后保存中心的數據，將這些數據組成一個二維的數組。所以這里需要將探測器的采樣定義為N×1的格式，在這個N為512。如何去更改探測器的采樣呢？感興趣的小伙伴可以關注黌論網校的案例視頻。
圖4. XZ截面掃描
結果呈現
如圖5，從仿真結果來看，在 HOE 后 200μm、700μm 和 1200μm 三個關鍵位置，光場分布的半高全寬（FWHM）分別為 3.1μm、3.0μm 和 3.2μm。這一數據直觀地表明，在長達 1000μm 的傳輸距離內，光束的主瓣尺寸波動極小，僅在 3.0μm 至 3.2μm 之間微幅變化，有效維持了無衍射傳輸的核心特征。
從光場分布圖中可以清晰地觀察到，光束在傳輸過程中始終保持著典型的同心環結構，中心主瓣能量集中，旁瓣強度逐級衰減。
展開 [VirtualLab] 二維叉形光柵產生渦旋光陣列
背景介紹
在現代光學與光子學領域，渦旋光束因其獨特的螺旋相位波前和軌道角動量（OAM）特性，成為精密操控、量子通信、超分辨成像等前沿方向的核心工具。這類光束的相位分布呈螺旋狀，光強表現為中心暗斑，其攜帶的 OAM 理論上可無限取值，為信息編碼與傳輸提供了全新維度。
然而，傳統的渦旋光束生成方法往往存在結構復雜、成本高昂或難以集成的局限。在此背景下，二維叉形光柵作為一種高效、緊湊的相位調制元件，逐漸成為生成渦旋光束的主流方案之一。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.
展開 一種新的軌道角動量天線設計
此外，該天線結構緊湊，成本低，增益良好，具有較高的天線效率，產生的各個模態的渦旋電磁波都具有良好的旋轉性，能夠獲得較強的抗干擾能力，為軌道角動量在毫米波頻段的應用提供了一定的現實意義。
天線設計
該天線設計了一種介質諧振器天線，天線結構如圖3所示，圖3(a)是天線的三維結構圖，可以看到該天線是由一個介質諧振器，一條微帶線，一層介質基板和一個接地面構成，圖3(b)是天線俯視圖。
仿真結果分析
天線的S參數能夠準確反映電磁波傳遞過程種的反射情況。如圖7所示是該天線的S參數仿真結果，可以看到，S參數有多次下降，表明這些頻率的波耦合進了諧振器當中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之間，該天線產生了4個諧振點，能夠產生的OAM模態。分別是：在29.6GHz處產生的OAM模態，在30.6GHz處產生的OAM模態，在32.2GHz處產生的OAM模態，在35.1GHz處產生的OAM模態。圖8是該天線電壓駐波比的仿真結果，可以看到在四個諧振點處的VSWR幾乎達到1，在天線的工作頻段28GHz~36GHz之間匹配良好。
由圖9（左側）可以看出，該天線生成的4種OAM波束，空間螺旋相位波前結構清晰可見，符合OAM渦旋電磁波的螺旋相位結構特征，并且相位沒有產生畸變，說明該天線產生的OAM無線電波具有較好的抗干擾性。
圖9（右側）是OAM的４個模態在觀測平面上的振幅分布的波前。
圖10（左側）分別為是不同模態下的3D遠場輻射圖，可以看出本文提出的OAM天線的增益在工作頻率范圍之內保持在6.47~8.18dBi，隨著模態的增加，增益呈現下降趨勢，說明工作頻率越高，該天線收發信號的能力越弱。
展開 ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中模擬激光光束傳播：第三部分 使用物理光學傳播來模擬高斯光束
通過出瞳的光線分布，結合透射振幅和累計的相位光程差（OPD）來計算相位，形成復振幅波前。然后，用一步近似的衍射計算將這種復雜振幅波前傳播到近焦點區域。幾何光學和一步近似在大多數傳統光學設計中廣泛應用，在這些設計中，光束不在除了最終成像位置之外的任何其他近焦位置聚焦成像。但是該模型在幾個重要的情況下失效:
當光束具有中間焦點時，尤其是附近光學器件將截斷光束時（光線本身不能預測近焦點的正確分布）。
當對遠焦的衍射效應感興趣時（光線將在振幅和相位上保持均勻分布，而波前將形成具體振幅和相位結構）。
當傳播長度較長且光束接近準直時（準直的光線在任何距離上都保持準直，真實的光束會衍射和發散）。
物理光學傳播通過傳播波前來模擬光學系統，其中光束由一組離散采樣點表示，描述了光束通過光學系統時電場的完整復雜振幅和相位。該工具使對任意相干光束的詳細研究成為可能。
一般來說，物理光學模型在預測遠離焦點的光束的詳細振幅和相位結構時比傳統的光線追跡更準確。下表總結了幾個光線法可能不適用，而應該使用物理光學傳播 POP 的特殊場景。
不推薦使用光線法的三種情況：
使用光線法?
使用近軸高斯?
使用物理光學傳播?
展開 
結構設計和導出加工數據
內容簡介：
1.在VirtualLab中如何進行結構設計；
2.在VirtualLab中如何導入和導出加工數據。
結構設計
1) 點擊 ，打開示例文件Sample_PhaseDistribution.ca2
2) 該示例文件包含處處振幅為1的純粹的相位分布，默認為振幅視圖. 點擊，將默認的振幅視圖轉換為相位視圖，點擊“結構設計(Structure Design)”開始設計可產生該相位分布的對應結構
3) 進入(基于薄元近似)的純相位透射結構設計系統窗口
目標(Target)標簽，可以選擇將設計好的結構設計元件放在新的LPD中還是已有的LPD中
光學設置(Optical Setup)標簽，在此標簽中選擇模式為透明板的高度輪廓(Height Profile of Transparent Plate)，并可選擇基板介質(Substrate Medium)和元件周圍的介質(Surrounding Medium)，同時可以確定基板的厚度(Thickness of Substrate)以及中心波長（Wavelength）。
展開 你還不知道“渦旋光束”？(轉載）
光的傳播
下面簡單介紹兩種常見情況：
情況一：
水波的傳播依賴于介質，因此會局限于水面上，是二維的，因此連起來的等相位線是一個圓周。但是，光的傳播依賴于電磁場的相互激發，其不需要介質，可在三維空間中自由傳播。這些等相位線組成面，就是等相位面，它是以電燈為球心的同心球面。如下動圖所示：
像燈泡這種由一個點向三維空間發出的光，等相位面（波面）是一個以發光點為球心的同心球面，稱為“球面波”。
情況二：
手電筒中傳出的光束近似為平行光，若將其等相位線連起來會形成一個近似的平面，即等相位面（波面），這種在傳播過程中波面是相互平行的平面的光波則被稱為“平面波”。
普通激光器出射的激光也可近似看作平面波。
那渦旋光束的波面又是怎樣的呢？
既不是球面也不是平面，而是螺旋的！
下圖是我們生活中常見的螺旋結構：
渦旋光束的波面就是類似這樣的螺旋
圖中的m是渦旋光束的軌道角動量，也稱為拓撲荷數，簡單來說就是指圍繞光束中心一周，相位的變化是2π的多少倍。自轉的地球具有自旋角動量（SAM），繞太陽旋轉的地球具有軌道角動量(OAM)，光子也可以攜帶角動量——通過表現為偏振的自旋角動量，以及上述表現為螺旋等相位面的軌道角動量。這樣的渦旋光束中的每個光子攜帶的軌道角動量可以傳遞給粒子，驅動粒子旋轉，從而實現對粒子的捕獲、平移。
這種螺旋結構是怎么實現對粒子的捕獲的呢？來做個簡單的生活實驗。
展開 一文讀懂剛剛突破的6G新技術
因此，在正常的電磁波中添加相位旋轉因子，電磁波就不再是平面結構，而是繞著波束傳播方向旋轉，呈現出一種螺旋的相位結構。渦旋波每繞傳輸軸旋轉一圈，相位波就前進。
由于不同模態的波彼此正交，通過改變波段間相互干涉參數，就可以制造出不同的螺旋狀波陣面，因此就可以在不依賴于如時間和頻率等傳統資源的情況下發送多個同軸數據流，提供了更多無線傳輸的復用維度，從而提升頻譜效率，頻譜利用率可提升兩倍以上。
圖源 | 郵電設計技術《渦旋電磁波軌道角動量傳輸技術》論文
總結
太赫茲軌道角動量的實時無線傳輸通信實驗的完成，很大程度上緩解了太赫茲波段頻譜資源不足的問題，為6G通信的發展提供新的技術支持。不過該技術還需要解決信道建模、信號檢測、多天線設計等多個方面的問題，是一項具有前沿性、難度大、應用廣泛的技術。
目前該技術還處于初期實驗階段，此外OAM量子發射器與傳感器還存在價格較高，體積較大的問題，因此6G在商業化的道路上還有更多挑戰等待著解決。
Source:
通信學報《軌道角動量通信技術的研究》
http://www.infocomm-journal.com/txxb/CN/10.11959/j.issn.1000-436x.2020108
郵電設計技術《渦旋電磁波軌道角動量傳輸技術》
https://www.c114.com.cn/topic/6053/a1185441.html
未來瞭望 | “神秘的”軌道角動量
https://zhuanlan.zhihu.com/p/410719565
環球時報-中國6G，重要突破！
展開 VirtualLab：使用自定義的評價函數優化高NA分束器
摘要
由于相位和結構之間的直接關系，衍射分束鏡通常采用一定的傍軸近似來設計，這些算法也提供了這種近似，反之亦然。在非傍軸或甚至高NA分束器的情況下，這些近似將引入一些不準確性，因此，如果不進行額外嚴格的后優化，至少建議進行嚴格的分析。在這個用例中，使用奇數衍射級對典型的二元1:6分束器執行這樣嚴格的評估。為此，對初始系統的結構進行了參數化，并通過可編程光柵分析器定義了一組自定義的評價函數。對于參數優化和后續的公差分析，使用嚴格的傅里葉模態法 (FMM)。
建模任務
衍射分束面初始設計(*)
1.采用VirtualLab Fusion的迭代傅里葉變換算法(IFTA)設計工具計算了分束器的初始相位函數。
2.對于高度輪廓的轉換，采用了基于薄元件近似(TEA)的結構設計。
(*)不是這個用例的一部分(**)這些會話編輯器在衍射光學工具箱銀版中可用。
TEA和等距抽樣結構的局限性
□ TEA非常適合于最小特征尺寸不小于約5倍波長的情況。如果不是這樣，振幅/相位分布與設計高度輪廓相互作用后可能會顯示出與期望值的相關偏差。
□ 因此，需要進行嚴格的評估。
□ 對于參數優化，需要對結構數據進行不同的定義。
后優化的數據準備(參數化)
衍射分束器表面進一步優化
哪個衍射級次有哪些評價函數？
利用可編程光柵分析器
分束器初始設計的嚴格分析
設置優化參數
兩個優化過程對比
在這個用例中，我們演示了兩種具有不同配置目標和約束的優化：
□ 在優化#1中，優先考慮均勻性誤差。
□ 在優化#2中，0級也要最小化。
展開 VirtualLab：使用自定義的評價函數優化高NA分束器
摘要
由于相位和結構之間的直接關系，衍射分束鏡通常采用一定的傍軸近似來設計，這些算法也提供了這種近似，反之亦然。在非傍軸或甚至高NA分束器的情況下，這些近似將引入一些不準確性，因此，如果不進行額外嚴格的后優化，至少建議進行嚴格的分析。在這個用例中，使用奇數衍射級對典型的二元1:6分束器執行這樣嚴格的評估。為此，對初始系統的結構進行了參數化，并通過可編程光柵分析器定義了一組自定義的評價函數。對于參數優化和后續的公差分析，使用嚴格的傅里葉模態法 (FMM)。
建模任務
衍射分束面初始設計(*)
1.采用VirtualLab Fusion的迭代傅里葉變換算法(IFTA)設計工具計算了分束器的初始相位函數。
2.對于高度輪廓的轉換，采用了基于薄元件近似(TEA)的結構設計。
(*)不是這個用例的一部分(**)這些會話編輯器在衍射光學工具箱銀版中可用。
TEA和等距抽樣結構的局限性
□ TEA非常適合于最小特征尺寸不小于約5倍波長的情況。如果不是這樣，振幅/相位分布與設計高度輪廓相互作用后可能會顯示出與期望值的相關偏差。
□ 因此，需要進行嚴格的評估。
□ 對于參數優化，需要對結構數據進行不同的定義。
后優化的數據準備(參數化)
衍射分束器表面進一步優化
哪個衍射級次有哪些評價函數？
利用可編程光柵分析器
分束器初始設計的嚴格分析
設置優化參數
兩個優化過程對比
在這個用例中，我們演示了兩種具有不同配置目標和約束的優化：
□ 在優化#1中，優先考慮均勻性誤差。
□ 在優化#2中，0級也要最小化。
展開 [VirtualLab] 用于X射線成像的單光柵干涉儀
Morimoto等人的工作，我們選擇了三種類型的相位光柵，有十字、棋盤和網狀圖案。這些光柵在一個單一的光柵干涉儀中被采用，被建模為僅有相位的傳輸函數（因為X射線的波長比光柵的最小特征尺寸小得多），并且在VirtualLab Fusion中測試它們的自成像。
建模任務
相位光柵
如果光柵結構的最小特征大于入射光波長的大約五倍，那么產生的相位值就與結構成正比。
在這種情況下，我們通過函數定義的方法來模擬光柵。
在我們的光學設置中，我們使用了一個理想的組件，其中電磁場被乘以僅有相位的傳輸函數，這可以很容易地進行編程。
在VirtualLab Fusion中通過編程靈活定義任意傳輸函數
總結-元件
十字相位光柵
棋盤相位光柵
網格相位光柵
VirtualLab Fusion的工作流程
? 指定或定制傳輸函數
- 如何使用可編程功能及實例 (圓柱形透鏡）[用例］
? 選擇適當的檢測器進行光場的可視化
- 電磁場檢測器 [用例］
? 正確設置傅里葉變換
- 傅里葉變換的設置--在實例中討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
更多閱讀
- Talbot效應的建模
- 傅里葉變換的設置--在實例中討論
- 不同孔徑后的衍射圖案
展開 VirtualLab：用于X射線成像的單光柵干涉儀
Morimoto等人的工作，我們選擇了三種類型的相位光柵，有十字、棋盤和網狀圖案。這些光柵在一個單一的光柵干涉儀中被采用，被建模為僅有相位的傳輸函數（因為X射線的波長比光柵的最小特征尺寸小得多），并且在VirtualLab Fusion中測試它們的自成像。
建模任務
相位光柵
如果光柵結構的最小特征大于入射光波長的大約五倍，那么產生的相位值就與結構成正比。
在這種情況下，我們通過函數定義的方法來模擬光柵。
在我們的光學設置中，我們使用了一個理想的組件，其中電磁場被乘以僅有相位的傳輸函數，這可以很容易地進行編程。
在VirtualLab Fusion中通過編程靈活定義任意傳輸函數
總結-元件
十字相位光柵
棋盤相位光柵
網格相位光柵
VirtualLab Fusion的工作流程
? 指定或定制傳輸函數
- 如何使用可編程功能及實例 (圓柱形透鏡）[用例］
? 選擇適當的檢測器進行光場的可視化
- 電磁場檢測器 [用例］
? 正確設置傅里葉變換
- 傅里葉變換的設置--在實例中討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
更多閱讀
- Talbot效應的建模
- 傅里葉變換的設置--在實例中討論
- 不同孔徑后的衍射圖案
展開 
VirtualLab：用于X射線成像的單光柵干涉儀
Morimoto等人的工作，我們選擇了三種類型的相位光柵，有十字、棋盤和網狀圖案。這些光柵在一個單一的光柵干涉儀中被采用，被建模為僅有相位的傳輸函數（因為X射線的波長比光柵的最小特征尺寸小得多），并且在VirtualLab Fusion中測試它們的自成像。
建模任務
相位光柵
如果光柵結構的最小特征大于入射光波長的大約五倍，那么產生的相位值就與結構成正比。
在這種情況下，我們通過函數定義的方法來模擬光柵。
在我們的光學設置中，我們使用了一個理想的組件，其中電磁場被乘以僅有相位的傳輸函數，這可以很容易地進行編程。
在VirtualLab Fusion中通過編程靈活定義任意傳輸函數
總結-元件
十字相位光柵
棋盤相位光柵
網格相位光柵
VirtualLab Fusion的工作流程
? 指定或定制傳輸函數
- 如何使用可編程功能及實例 (圓柱形透鏡）[用例］
? 選擇適當的檢測器進行光場的可視化
- 電磁場檢測器 [用例］
? 正確設置傅里葉變換
- 傅里葉變換的設置--在實例中討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
更多閱讀
- Talbot效應的建模
- 傅里葉變換的設置--在實例中討論
- 不同孔徑后的衍射圖案
展開 VirtualLab：用于X射線成像的單光柵干涉儀
Morimoto等人的工作，我們選擇了三種類型的相位光柵，有十字、棋盤和網狀圖案。這些光柵在一個單一的光柵干涉儀中被采用，被建模為僅有相位的傳輸函數（因為X射線的波長比光柵的最小特征尺寸小得多），并且在VirtualLab Fusion中測試它們的自成像。
建模任務
相位光柵
如果光柵結構的最小特征大于入射光波長的大約五倍，那么產生的相位值就與結構成正比。
在這種情況下，我們通過函數定義的方法來模擬光柵。
在我們的光學設置中，我們使用了一個理想的組件，其中電磁場被乘以僅有相位的傳輸函數，這可以很容易地進行編程。
在VirtualLab Fusion中通過編程靈活定義任意傳輸函數
總結-元件
十字相位光柵
棋盤相位光柵
網格相位光柵
VirtualLab Fusion的工作流程
? 指定或定制傳輸函數
- 如何使用可編程功能及實例 (圓柱形透鏡）[用例］
? 選擇適當的檢測器進行光場的可視化
- 電磁場檢測器 [用例］
? 正確設置傅里葉變換
- 傅里葉變換的設置--在實例中討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
展開 聲濾波器（一）如何形成360°的全方位聲場覆蓋
在揚聲器振膜前增加一個相位塞，引導聲音從側面發出。
但這種結構在相位塞和振膜之間的空腔會聲模態共振，從而在最終的頻響曲線上造成峰谷。
其中一種思路是在相位塞中挖一個空腔，空腔內部可以填充吸音阻尼材料，并同時在空腔上增加穿孔蓋板。
這種方式相當于增加了一個旁路的赫姆霍茲共鳴腔，等效于一個濾波器。
在南大《聲學基礎》的5.3.2章節有簡單的理論推導。
很容易可以想到，諧振腔體的口徑，深度，內部阻尼材料的特性，穿孔蓋板的開孔比例，孔大小，蓋板的深度等都會對頻響曲線產生較大影響。
要想仿真出上述參數對最終頻響曲線的影響，可以采用集中參數等效電路的方式，或者有限元的方式進行。
有感興趣或者有需求的可以自行嘗試。
下圖是仿真對比不同諧振腔體的口徑對頻響曲線的影響。藍色是無諧振腔體曲線，其余三條分別對應不同口徑的頻響曲線。
實測驗證聲濾波器效果的對比。下圖中黑色曲線是未加聲濾波器前的曲線，紅色是填充低密度玻纖，藍色是填充高密度玻纖。
手機側出音揚聲器其實也可以考慮參考這種思路，以消除空腔造成的聲模態形成的頻響曲線的峰谷。當然同時要考慮結構上尺寸是否允許。
展開 Lumerical FDTD設計超透鏡產生渦旋光束
基于超表面的渦旋超透鏡通過亞波長結構實現波前相位調控，兼具緊湊性與高性能優勢。本文基于Lumerical FDTD仿真平臺，設計了一種高效生成拓撲電荷數可調的渦旋超透鏡。在設計原理上，通過幾何相位(PB相位)結合傳播相位聯合調控，利用二氧化鈦(TiO2)納米柱陣列對圓偏振入射光進行相位延遲，構建滿足螺旋相位因子的梯度相位分布(l為拓撲荷數，為方位角)。設計中采用FDTD全波仿真，優化納米柱尺寸，實現0-2π連續相位覆蓋及高透射效率(>80%)。仿真結果表明，所設計超透鏡在1um波長下可生成純度高于90% 的渦旋光束，最后分析超透鏡生成的渦旋光束的拓撲電荷數是否符合理論設計。橫向尺寸僅為20μm×20μm。該文章為片上集成化OAM器件提供了新思路，可推動高容量光通信與緊湊量子系統的發展
1、渦旋超透鏡結構示意圖
設計的渦旋超透鏡結構示意圖如下：
超透鏡結構示意圖
該渦旋超透鏡的工作參數一欄表格：
設計參數：
工作波長：1um
拓撲荷數：1
透鏡焦距：50um
透鏡半徑：10um
入射光：圓偏振光
2、渦旋超透鏡的工作原理：
渦旋超透鏡相位分布由螺旋相位因子與納米結構局域相位調控共同決定。
展開 