光場追跡
關注創建者：匿名 創建時間：2025-12-02
光場追跡的實例教程
摘要
通過考慮諧波場而非光線，光場追跡法對光線追跡法進行了概括推廣。光場追跡法可以容許位于系統不同子區域的不同的建模技術進行無縫連接。基于分解和互聯的理念，這篇文章介紹了非序列場追跡的基本概念，同時推導出了相應的算子方程組和一個求解公式用于仿真。對問題的求值需要局部麥克斯方程的解（分解）；并且隨著迭代過程的收斂實現解決方案在通過界面處的連續性（互聯）。通過使用引入的一種新的光路樹算法，對需要求解的局部問題的數量進行優化。最后，我們展示了一些選擇局部麥克斯韋方程組的案例和數值結果。
1. 簡介
現代光學系統設計需要高級模擬技術。通常，仿真過程中需要在時域或者頻域中求解麥克斯韋方程組。即使這些方程的解決方案已經在過去數十年被廣泛的討論，使用比如有限元法（FEM），但由于以下主要原因，其在光學領域仍然非常具有挑戰性：（1）感興趣的波長一般在1微米以下，有時甚至在100納米之下，（2）一個系統中的長度量級可能在納米和米之間變化。應用波長532納米（綠光）的標準激光系統，使用特征尺寸僅有幾微米的結構界面并且需要在一個系統中與數厘米或者米的結構一同模擬。這表明物理光學模擬，例如，使用標準的有限元法，如今在標準計算機上并不可行。
另一方面，大部分光學系統可以通過使用近似的方法，實現足夠精確的模擬。尤其是光線追跡方法在光學模擬中得到了廣泛的使用。幾款基于光線追跡方法的商業工具在二十世紀八十年代隨著個人電腦技術的新興便已確立。然而，光線追跡方法有一些嚴重的限制，例如，當系統中存在微結構時，其便會失效。
這就是我們引入場追跡的原因[6,12]。場追跡將一個光學系統分解成子域。與光線追跡相比，場追跡是計算通過系統的電磁諧波場。在實際應用中，此方法具有三個基本的優勢：（1）場追跡法統一光學建模。其概念允許我們在系統的不同子域中應用任何表述矢量諧波場的技術。
展開 摘要
通過考慮諧波場而非光線，光場追跡法對光線追跡法進行了概括推廣。光場追跡法可以容許位于系統不同子區域的不同的建模技術進行無縫連接。基于分解和互聯的理念，這篇文章介紹了非序列場追跡的基本概念，同時推導出了相應的算子方程組和一個求解公式用于仿真。對問題的求值需要局部麥克斯方程的解（分解）；并且隨著迭代過程的收斂實現解決方案在通過界面處的連續性（互聯）。通過使用引入的一種新的光路樹算法，對需要求解的局部問題的數量進行優化。最后，我們展示了一些選擇局部麥克斯韋方程組的案例和數值結果。
1.簡介
現代光學系統設計需要高級模擬技術。通常，仿真過程中需要在時域或者頻域中求解麥克斯韋方程組。即使這些方程的解決方案已經在過去數十年被廣泛的討論，使用比如有限元法（FEM），但由于以下主要原因，其在光學領域仍然非常具有挑戰性：（1）感興趣的波長一般在1微米以下，有時甚至在100納米之下，（2）一個系統中的長度量級可能在納米和米之間變化。應用波長532納米（綠光）的標準激光系統，使用特征尺寸僅有幾微米的結構界面并且需要在一個系統中與數厘米或者米的結構一同模擬。這表明物理光學模擬，例如，使用標準的有限元法，如今在標準計算機上并不可行。
另一方面，大部分光學系統可以通過使用近似的方法，實現足夠精確的模擬。尤其是光線追跡方法在光學模擬中得到了廣泛的使用。幾款基于光線追跡方法的商業工具在二十世紀八十年代隨著個人電腦技術的新興便已確立。然而，光線追跡方法有一些嚴重的限制，例如，當系統中存在微結構時，其便會失效。
這就是我們引入場追跡的原因[6,12]。場追跡將一個光學系統分解成子域。與光線追跡相比，場追跡是計算通過系統的電磁諧波場。在實際應用中，此方法具有三個基本的優勢：（1）場追跡法統一光學建模。
展開 因此，在聚焦模擬中考慮光的矢量性質是非常重要的。 VirtualLab非常容易支持這種鏡頭的光線和光場追跡分析。 通過光場追跡，可以清楚地展示不對稱焦斑，這源于矢量效應。 照相機探測器和電磁場探測器為聚焦區域的研究提供了充分的靈活性，并且可以深入了解矢量效應。
建模任務
入射平面波
波長 2.08 nm
光斑直徑： 3mm
沿x方向線偏振
如何進行整個系統的光線追跡分析？
如何計算包含矢量效應的焦點的強度分布？
概覽
?樣品系統預設為包含高數值孔徑物鏡。
?接下來，我們將演示如何按照VirtualLab中推薦的工作流程對樣本系統進行模擬。
光線追跡模擬
?首先選擇“光線追跡系統分析器”（Ray Tracing System Analyzer）作為模擬引擎。
?點擊Go！
?獲得3D光線追跡結果。
光線追跡模擬
?然后，選擇“光線追跡”（Ray Tracing）作為模擬引擎。
?單擊Go！
?結果，獲得點圖（2D光線追跡結果）。
光場追跡模擬
?切換到“第二代場追跡”（Field Tracing 2nd Generation）作為模擬引擎。
?單擊Go！
光場追跡結果（照相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量的強度。
?下圖通過整合Ex、Ey和Ez分量顯示強度：由于高數值孔徑情況下相對較大的Ez分量，可以看到明顯的不對稱性。
展開 因此，在聚焦模擬中考慮光的矢量性質是非常重要的。 VirtualLab非常容易支持這種鏡頭的光線和光場追跡分析。 通過光場追跡，可以清楚地展示不對稱焦斑，這源于矢量效應。 照相機探測器和電磁場探測器為聚焦區域的研究提供了充分的靈活性，并且可以深入了解矢量效應。
建模任務
入射平面波
波長 2.08 nm
光斑直徑： 3mm
沿x方向線偏振
如何進行整個系統的光線追跡分析？
如何計算包含矢量效應的焦點的強度分布？
概覽
?樣品系統預設為包含高數值孔徑物鏡。
?接下來，我們將演示如何按照VirtualLab中推薦的工作流程對樣本系統進行模擬。
光線追跡模擬
?首先選擇“光線追跡系統分析器”（Ray Tracing System Analyzer）作為模擬引擎。
?點擊Go！
?獲得3D光線追跡結果。
光線追跡模擬
?然后，選擇“光線追跡”（Ray Tracing）作為模擬引擎。
?單擊Go！
?結果，獲得點圖（2D光線追跡結果）。
光場追跡模擬
?切換到“第二代場追跡”（Field Tracing 2nd Generation）作為模擬引擎。
?單擊Go！
光場追跡結果（照相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量的強度。
?下圖通過整合Ex、Ey和Ez分量顯示強度：由于高數值孔徑情況下相對較大的Ez分量，可以看到明顯的不對稱性。
展開 ? 能量閾值越小，追跡的路徑越多。
4. 最高級別(非序列光線\光場追跡)
? 最高級別是非序列追跡引擎的停止標準。
? 該參數直接限制每個非序列路徑檢測到的表面過度/相互作用的數量。
最高級別：過度/相互作用
對于非順序的傳播VirtualLab跟蹤不同的光路/信道：
? 相鄰圖示說明了在非順序模擬過程中使用的級別編號。
? 隨著每個表面的相互作用，等級會增加。
L＃ ……光傳播的級別
I＃ ……表面相互作用
相關級別的默認值為100。
? 下面顯示了最高級別的影響示例。
? 就本例而言，入射角為30°的平面波通過標準具的傳播。
? 最高級別越高，追跡的路徑越多。
5. 路徑檢測(非序列光線\光場追跡)
? VirtualLab使用兩步過程追跡非順序場。
? 在第一步中，VirtualLab將搜索存在哪些光路。在第二步中，場沿著已找到的路徑傳播。
? 光路搜索意味著識別哪些光路/光柵區域存在哪些入射和出射通道。
? 這是通過默認為1的信道分辨率精度完成的。
6. 路徑可視化(非序列光線\光場追跡)
? 在3D視圖中僅顯示入射檢測器的路徑參數控制所有場的非序列路徑的可視化。
? 對于雜散光可視化，看到沒有入射指定檢測器的光路可能會很有趣
7. 文件和技術信息
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光場追跡的最新內容
然后，通過配置的設置沿著這些光路追跡場。
非序列追跡的通道設置
受抑全內反射（FTIR）
棱鏡之間的間隙是由分層介質組件來仿真的。這樣做的原因是，分層介質組件的S矩陣求解器考慮到了倏逝波，從而能夠對FTIR等效應進行建模。更多關于分層介質組件的信息在下面：
分層的介質成分
層矩陣求解器
分層介質組件使用層矩陣電磁場求解器。
然后，通過配置的設置沿著這些光路追跡場。
非序列追跡的通道設置
受抑全內反射（FTIR）
棱鏡之間的間隙是由分層介質組件來仿真的。這樣做的原因是，分層介質組件的S矩陣求解器考慮到了倏逝波，從而能夠對FTIR等效應進行建模。更多關于分層介質組件的信息在下面：
分層的介質成分
層矩陣求解器
分層介質組件使用層矩陣電磁場求解器。
3.具有不同建模配置文件的通用檢測器
通用探測器的可用選項取決于選擇了光線追跡或光場追跡。
4.場量（場追跡）
①.分量：
確定探測電磁場的哪些分量。必須至少選擇一個分量。
然后通過配置好的選項沿著這些光路進行場追跡。
圖1 物理光學中一個光路的場追跡圖模型。參數j指明了應用算子的場參考平面。
盡管電磁場包含六個場分量，場追跡算法仍然可以通過ρ=(x,y)，E┴(ρ,ω)=(Ex(ρ,ω), Ey(ρ,ω))正式地表示，缺失的四個分量可以根據E┴的需求計算。在k域中，這些計算遵循簡單的代數方程。
自由空間算子方程由 給出，輸入平面場為 ，輸出平面（輸入平面的下一個算子）的結果為 。
分析高數值孔徑物鏡的聚焦5個月前
通過光場追跡，可以清楚地展示不對稱焦斑，這源于矢量效應。 照相機探測器和電磁場探測器為聚焦區域的研究提供了充分的靈活性，并且可以深入了解矢量效應。
光場追跡模擬
?切換到“第二代場追跡”（Field Tracing 2nd Generation）作為模擬引擎。
?單擊Go！
光場追跡結果（照相機探測器）
?上圖僅顯示Ex和Ey場分量的強度。
二.均勻介質中的場追跡
在光場追跡法中，光在線性、均勻和各向同性介質中快速而精確的傳播是由諧波場的概念處理的。結果表明，任何電磁場都可以分解為一組諧波場[8,9]。在空間頻率域中，以特定角頻率ω0振蕩的單次諧波場定義為
(1)
用位置向量和角頻率ω分別表示。
電磁場的高效半解析傳播技術7個月前
在光場追跡法中，光在線性、均勻和各向同性介質中快速而精確的傳播是由諧波場的概念處理的。結果表明，任何電磁場都可以分解為一組諧波場[8,9]。
FRED案例展示：空間濾波器10個月前
并將分析表面（分析面參數64μm x 64 μm 寬，257 x 257 像素）分配給該平面以收集光場參數。光線追跡光場后，用戶需要右鍵單擊并選擇“Coherent Field Operations / Apply Clipping to Field”，選擇已創建的剪切曲線。并適當地進行裁剪（如圖3所示）。
