光場建模與仿真的案例
光 · 學堂 | VirtualLab Fusion微納光學設計|光柵與超表面建模及仿真（深圳場）2026/5/28-5/29
相應地，光柵分析必須使用基于矢量電磁場原理的方法。本課程使用光之數字模型平臺VirtualLab Fusion，介紹如何使用傅里葉模態法對光柵進行嚴格精確的仿真。課程涵蓋的光柵示例既有表面型光柵，也有全息型體光柵，例如傾斜光柵、閃耀光柵、用于光學超透鏡的Nanopillar結構等。此外還會介紹超表面的設計和參數優化和大角度超光柵仿真。該課程無需軟件基礎。
課程大綱
Course Syllabus
1
VirtualLab Fusion軟件介紹
光之數字模型平臺原理介紹
VirtualLab Fusion用戶界面的基礎操作
2
光柵仿真算法比較
薄元近似法（Thin Element Approximation）
傅里葉模態法（Fourier Modal Method）
周期單元近似法（Periodic Cell Approximation）
3
光柵嚴格分析實例
閃耀光柵
亞波長光柵與偏振轉換
體全息光柵的波長和角度選擇特性
諧振光柵耦合器
4
光柵設計與優化
傾斜光柵結構參數優化
公差分析
蛾眼抗反射結構的設計與優化
高衍射效率偏振無關光柵的優化設計
5
光柵系統級分析
晶圓檢測系統
晶圓雙面光柵圖案的成像分析
共聚焦顯微鏡檢測系統
6
超表面微納結構
超構表面偏振/波長/角度響應分析
超光柵的構建
基于神經網絡的超構透鏡設計
設計和分析超透鏡
基于超構透鏡（PCA）實現聚焦與成像
展開 26，comsol仿真線偏振高斯光經過透鏡聚焦后的光場分布 ￥13000
在之前第15篇推送中，介紹了徑向偏振光和角向偏振光經過透鏡聚焦后的光場，當時是正好有文獻推導公式，
但是倘若沒有現成的文獻推導呢？那就得自己慢慢在草稿紙上推導。實驗中最常用的光源是線偏振高斯光，所以后來我慢慢推導了線偏振高斯光經過透鏡聚焦后的光場，并用comsol仿真出來。這個聚焦光場的仿真其實難度還挺大的，并不easy。至于其他光，比如圓偏高斯光，渦旋光等等，以后有空在慢慢推吧。
如下是我的仿真結果
付費內容如下
展開 基于MATLAB的矢量光束聚焦光場仿真
偏振與振幅、相位和頻率一樣，是光的基本屬性之一[1]。一般而言，光的偏振指的是電場分量振蕩的方向。我們知道自然光的偏振是隨機的，當自然光通過偏振器或在某些特定的界面反射就形成了特定方向上的偏振光，比如線偏振光和圓偏振光。偏振不僅在我們的日常生活中有很多應用，包括偏振太陽鏡，偏振相機和3D電影等，而且在偏振檢測和偏振成像等科學研究方面也得到了廣泛的應用。但由于課時限制等原因，以上內容基本是光學課程介紹的內容，相對比較簡單和陳舊。光學的發展促進了新型偏振光的提出，比如矢量光束。矢量光束由于其在垂直于光傳播方向的橫截面具有非均一性的偏振分布，在量子存儲、粒子操控、超分辨成像、納米光刻和激光加工等領域具有重要的潛在發展前景。因此，有必要引入光學發展前沿，鼓勵學生探索光學新發展，培養創新思維，從而激發他們的學習興趣，促進教研融合。同時，考慮到知識的難度，我們需要結合虛擬仿真實驗對光學理論和模型進行精確仿真和可視化，從而直觀呈現抽象的物理過程，提高教學效果和學習效率[2]。
本文以矢量偏振光束通過高數值孔徑物鏡的衍射為例，基于MATLAB模擬仿真展示偏振態對光場傳播過程和聚焦光場的影響。對于低數值孔徑透鏡，只需使用傍軸近似或夫瑯禾費近似的標量衍射理論。但是，對于高數值孔徑透鏡，聚焦光場與偏振狀態密切相關，特別是對于矢量光束，聚焦光場將呈現顯著的偏振特性[3], 此時就需要使用由RICHARDS B和WOLF E在德拜標量衍射積分的基礎上建立的矢量衍射理論[4,5]。借助矢量衍射理論，可以精確描述矢量光束的衍射光場分布，包括振幅、相位和偏振態等。首先，根據矢量衍射理論推導了聚焦場分布積分表示；進一步借助MATLAB仿真給出了矢量偏振光束入射情況下的聚焦光場分布，為學生提供直觀的可視化結果。
展開 光 · 學堂 | VirtualLab Fusion干涉檢測技術|干涉原理分析及光學系統建模 2026/6/23-24（上海場）
VirtualLab Fusion為這種分析提供了必要的工具，利用快速物理光學理論來促進快速仿真。
干涉系統被廣泛地應用于光學測量和光學檢測等領域。對這類系統工作原理的討論必須要結合物理光學的知識，如光的電磁場表示、光的波動性、光場的疊加等。顯微系統也是組成光學測量的一個重要組成部分，課程內容中也涵蓋了高NA系統，微觀與宏觀相結合的完整系統仿真如晶圓檢測系統，摩爾紋系統等。該課程無需軟件基礎。
課程大綱
1
VirtualLab Fusion軟件介紹
光之數字模型平臺原理介紹
電磁場的表達形式
VirtualLab Fusion用戶界面的基礎操作
2
基礎知識簡介
干涉發生的條件
楊氏雙縫干涉實驗特性
激光邁克爾遜干涉--非序列追跡和參數掃描功能介紹
3
干涉測量系統建模
利用FP腔研究鈉原子D線光譜
光學相干層析掃描系統
Inces - Gaussian光束產生渦旋陣列激光光束的觀測
利用剪切干涉法的準直測量
基于菲索干涉儀的面型檢測
Mirau干涉儀
基于零位檢測的CGH設計
4
微觀與宏觀結合的完整系統仿真
結構光照明的顯微鏡系統
用于微結構晶圓檢測的光學系統
摩爾紋的仿真
展開 
VirtualLab Fusion對SNOM光纖探針外部光場分布的仿真
張寶武1,3，饒鵬輝2，霍劍鋒1，余桂英1
( 1.中國計量大學計量測試工程學院，杭州310018，2.訊技光電科技(上海)有限公司，上海200092；3.比薩大學 物理系，比薩56127)
摘要：為了研究掃描近場光學顯微鏡(SNOM) 光纖探針的光學特性，采用基于場追跡方法的光學軟件VirtualLab Fusion 進行了仿真實驗，取得了SNOM光學探針尖端外部光場的分布情況。結果表明，沿z軸方向，不同截面上的光場分布都會呈現小孔衍射的圖案，其中心斑點中心強度隨著z值的變大而呈近似指數函數衰減，到z=100nm位置處幾乎衰減為0;中心斑點輪廓線的半峰全寬隨著z值的變大而呈現先不變后增大的趨勢，其拐點處于z=20nm位置處，此時對應的中心強度值為7.2V/m2，這個強度值按指數函數計算正好處于z=0nm位置處強度的e-2。結果清晰顯示了SNOM光學探針的光學特性，證實SNOM探針工作時需要與樣品表面保持在10nm左右的必要性。
關鍵詞： 成像系統; 掃描近場光學顯微鏡; 場追跡; VirutalLab Fusion; 光纖探針
展開 VirtualLab Fusion對SNOM光纖探針內部光場分布的仿真
上海２０００９２；３.比薩大學 物理系，比薩 意大利５６１２７）
摘要：為了深入研究掃描近場光學顯微鏡（Scanning near-field optical microscope，SNOM）光纖探針導 光特性，我們利用VirtualLab Fusion光學軟件，仿真研究了光纖探針內部的光場分布。結果顯示，光纖探針內部 的光場分布呈固定的花樣；中軸線光場具有峰值結構，其最大值位于探針出口前120nm處；這個最大峰值隨著光纖外層鋁層厚度的增加呈現先減小后增加，最后趨于穩定的變化，隨著光源偏振態的變化呈現正弦的分布。
關鍵詞：掃描近場光學顯微鏡；光纖探針；VirtualLab Fusion軟件；偏振態
展開 基于Lumerical fdtd的異型納米空心球散射光場仿真
基于FDTD腳本驅動的全流程：微型球體聚合空心球殼nanojet建模、散射光場及散射效率曲線繪制實踐
焚天神劍
關鍵詞：FDTD腳本編碼，全流程，異型球體建模，nanojet散射，散射效率曲線
本設計運用FDTD腳本全流程，針對微型球體聚合的空心球殼nanojet展開深入探究。從建模著手，精心調試各項參數，成功搭建出精準且完善的模型，精準復現了空心球殼的結構特征。在散射光場模擬環節，其呈現效果與預期幾近一致，直觀展現出光與納米結構相互作用的細節。散射效率曲線繪制結果表明，不同球殼半徑在各異波長下呈現出穩定的差異規律。此項設計為納米光學研究、微納器件制備等領域提供了有力支撐，極具應用潛力。
結構設計
納米球的外形輪廓如下圖左所示，預計產生的光場散射效果如右圖所示。
圖1 預期球殼外形以及散射效果
粗糙表面納米二氧化硅空心球，300-2500nm的波長，球殼的直徑200-1000nm，外部小球40nm。對球體進行編程建模，形成FDTD的參數列表以及模糊化處理的編碼。編碼的優勢為波長范圍、頻率采樣率、球殼半徑、微球半徑以及材料靈活設置，一鍵式操作。
圖2 model參數設置以及編碼
形成如下結構樹以及規律排列的球形微球陣列。
圖3 結構樹以及建模效果
掃描設計
結構掃描個性化編碼，設置好掃描數量和范圍，仿真后形成下列仿真好的文件（需要經過一些仿真時間）。
圖4 掃描腳本以及生成的仿真結果
散射光場、效率曲線
首先，基于第二節的仿真結果，選取特定球殼半徑以及波長序號，生成光場圖，見下圖效果。
展開 從CAD到1D：通過多物理場仿真對渦旋壓縮機進行建模的方法
摘要
使用一維流體動力學對渦旋壓縮機進行建模，通常需要在腔室容積和端口面積曲線提取過程進行大量的工作。GT-SUITE仿真軟件從壓縮機動盤、靜盤渦圈CAD模型開始，自動創建一維流體動力學模型。為了考慮腔室氣體壓力與軌道渦旋上力矩的關系，本文介紹了腔室容積、端口面積、泄漏面積的等效方法。此外，還將對比渦旋壓縮機仿真與試驗的性能數據，保證模型的精度。
來源：Gamma Technologies
1、介紹
渦旋壓縮機的性能需要通過大量的測試以及多種形式的模擬而最優化，其中包括三維CFD、二維腔室建模和一維腔室建模。仿真建模有助于在設計渦旋壓縮機時加快開發周期，并降低測試成本。
展開 多物理場仿真助力航天器再入大氣層：熱燒蝕現象的建模
下面的動畫強調了仿真結果，展示孔隨時間的形成。域的變化非常明顯，因此在此示例中，變形幾何接口使用了超彈性平滑類型，從而使網格變形。注意變形幾何接口不允許域中存在任何拓撲變化。因此，我們不能模擬通孔的形成，只能仿真一側的材料去除。
上面的動畫顯示二維軸對稱模型中的激光燒灼。
關于熱燒灼建模的結束語
在今天的文章中，我們演示了如何使用“熱通量”邊界條件和變形幾何接口中的指定網格速度功能對材料的燒灼建模。所介紹的示例始終盡可能地簡單，以便我們專注于燒灼的建模上。更符合實際的模型應該還包括來自表面的輻射傳熱和溫度相關的材料屬性。
而且，還可以考慮脈沖熱載荷，這是激光加工中的一種常見載荷。用激光加熱時，光有可能在材料中穿透一定的距離。在這種情況下，相比于其他材料激光加熱建模的方法，您或許可以使用 Beer-Lambert 定律對能量沉積建模。
來源：COMSOL
展開 磁齒輪建模——多物理場仿真帶你了解可再生能源應用中的新技術
下圖：該仿真顯示了磁通密度（使用對數刻度的表面圖以及面上箭頭圖）和網格圖。
請下載教程，盡情探索模型設置背后的所有細節。這個特別的示例包含了一些模型文件，用于使用參數化掃描進行穩態研究，還包含了一個軸向磁齒輪的全三維時域仿真，其中使用了旋轉機械，磁場接口。其中還包含了一些穩態研究和時域研究的仿真結果。
實際上，通過解算高速轉子和低速轉子之間不同角位置的穩態研究，可以獲取磁齒輪的扭矩傳遞。通過穩態研究中的參數化掃描可以改變角位置。但是，對于瞬態仿真，則需要建立瞬態研究。有趣的是，您將會從這兩項研究中得到完全相同的扭矩傳遞。
內外轉子上的軸向扭矩曲線。左圖：穩態研究和參數化掃描。右圖：瞬態研究。高速轉子上的扭矩波動較大（磁極對較少）。
直線磁齒輪
直線磁齒輪的運用相當廣泛。例如，在油氣行業，它們為鉆井電機提供傳動，將高速度轉換成鉆井所需的高扭矩。這類磁齒輪也可與直線同步機械結合使用，作為電動汽車的自由活塞發電機，同時產生交流發電用于交流能相關的各種應用。
典型的直線磁齒輪構造如下圖所示。該齒輪由三個轉子構成，其中兩個為直線移動的電樞（也稱作轉子），其間為靜止鋼磁極。因為該幾何在方位角方向上對稱，所以我們可以利用二維軸對稱幾何求解。在此處展示的示例中，我們假設所有轉子的長度相同，且在運動方向上無限長。該條件意味著我們只需模擬幾何的一個扇區。
我們使用 COMSOL Multiphysics 中的磁場接口和移動網格接口建立模型。因為直線周期沒有內置的周期性邊界條件，我們就利用廣義拉伸算子為低速電樞和高速電樞都創建一個定制的周期性邊界條件。如要參考相關的示例，請閱讀上一篇文章。
為計算高速電樞和低速電樞之間的電磁力耦合，我們使用時域仿真。您可以從“案例下載”中下載模型文件及其關聯文檔。
展開 【培訓】天洑8月23日-26日4場“電池包水冷板”主題建模/仿真分析/優化培訓課程報名
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培訓日程：
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費用說明：
免費
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軟件簡介：
DTEmpower
是天洑自主研發的智能數據建模軟件，圍繞數據清理、特征生成、敏感性分析和模型訓練等數據建模的各個環節，提供大量算法。利用智能調度引擎和超參優化技術，提高模型質量同時，降低了對用戶數據建模經驗的要求；提供了一套圖形化的建模開發環境，所有算法均可通過拖拽方式調用，連線方式進行數據的傳遞，操作簡便。
關于天洑
南京天洑軟件有限公司為中國智能工業軟件研發領域的高新技術企業，專注于中國自主知識產權的智能設計、快速仿真、優化、運維類工業軟件的研發。公司成立于2011年5月20日，總部位于南京，在北京、大連、寧波、上海、青島設有分公司或子公司。
天洑自主研發的軟件產品如下：各行業通用軟件包括：智能熱流體仿真軟件AICFD、智能結構仿真軟件AIFEM、智能優化軟件AIPOD、智能數據建模軟件DTEmpower、智能流動傳熱拓撲優化設計軟件AITOPT；行業專用軟件包括：智能管道設計運維一體化平臺AIPIPE、智能化泵設計軟件AIPump、智能化風機設計軟件AIFan、智能化葉片設計軟件AIBlade、智能化風場布機軟件AIWind、環境仿真云計算軟件EnvCloud、智能監盤系統、設備智能預警與故障診斷系統、雙碳平臺。
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