光場聚焦的案例
基于MATLAB的矢量光束聚焦光場仿真
圓偏振光聚焦場光強(qiáng)（圖3第二行）偏振特性與線偏振相似，占主導(dǎo)地位的橫向分量呈現(xiàn)光斑形式。而呈現(xiàn)環(huán)狀分布的軸向分量使得光斑變大（圖5）。與線偏振不同之處在于光強(qiáng)分布是圓對稱的。
與線偏振光和圓偏振光對比，軸對稱矢量光束，徑向偏振光（圖3第三行）、角向偏振光（圖3第四行）的聚焦場都為中心對稱分布，但各偏振分量分布比較特殊。徑向偏振光的聚焦光斑仍為圓形，橫向分量為環(huán)形分布，軸向分量遠(yuǎn)大于橫向分量，占主導(dǎo)地位，如圖6所示。同時軸向分量的半波瓣寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總光強(qiáng)的半波瓣寬度，因此，通過一些手段,例如用高階模式徑向偏振光束照明[9]，或者結(jié)合環(huán)形光瞳濾波器[10,11]來增強(qiáng)軸向偏振分量，抑制橫向分量，從而得到較小的衍射光斑，在超分辨成像、激光加工等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。而對于角向偏振光，聚焦光斑為純橫向分量的環(huán)形分布，如圖7所示。上述光場偏振特性都是用標(biāo)量衍射積分所不能解釋的，說明在高數(shù)值孔徑系統(tǒng)中，矢量衍射理論才能準(zhǔn)確描述光的傳播和聚焦特性。
4 結(jié)語
本文根據(jù)矢量衍射理論推導(dǎo)矢量偏振光束的聚焦光場積分表示，并采用MATLAB模擬仿真實現(xiàn)了聚焦光場分布的直觀顯示。基于矢量光束經(jīng)透鏡聚焦的光場分布分析，在高數(shù)值孔徑系統(tǒng)中，矢量衍射光束聚焦場具有以下特征：
（1） 聚焦光場具有顯著的偏振特性，要用矢量衍射理論進(jìn)行分析計算；
（2） 聚焦光場各偏振分量與入射光場偏振態(tài)相關(guān)，并且出現(xiàn)軸向偏振分量。經(jīng)過高數(shù)值孔徑透鏡聚焦，光束的矢量偏振性質(zhì)發(fā)生變化。徑向偏振光在焦點附近軸向分量占主導(dǎo)，角向偏振光保持空心場分布，不含軸向分量；
（3） 聚焦光斑受入射光偏振影響，利用矢量光束和高數(shù)值孔徑的緊聚焦特性，能實現(xiàn)超衍射光斑[9-11],在超分辨成像、激光加工等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
展開 26，comsol仿真線偏振高斯光經(jīng)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(jīng)過透鏡聚焦后的光場，當(dāng)時是正好有文獻(xiàn)推導(dǎo)公式，
但是倘若沒有現(xiàn)成的文獻(xiàn)推導(dǎo)呢？那就得自己慢慢在草稿紙上推導(dǎo)。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(dǎo)了線偏振高斯光經(jīng)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(jié)果
付費(fèi)內(nèi)容如下
展開 紫外光刻鏡頭設(shè)計 | SYNOPSYS 光學(xué)設(shè)計軟件第77課
紫外光刻鏡頭的作用是將投射光源產(chǎn)生的光場聚焦到光刻膠層上，并保持所需的分辨率和圖形質(zhì)量。這些鏡頭通常使用紫外光源（波長通常在250至450納米之間），因為紫外光的短波長使得能夠獲得更高的分辨率。
紫外光刻鏡頭的主要特點包括：
1.高分辨率：紫外光的短波長使得光刻圖案可以獲得更高的分辨率，從而實現(xiàn)更小尺寸的芯片結(jié)構(gòu)。
2.平面波前：紫外光刻鏡頭需要保持圖案的平面波前，以確保圖案的投影在整個芯片表面上都是均勻的。
3.大視場：紫外光刻鏡頭通常需要具有較大的視場，以便在單次曝光中覆蓋整個芯片區(qū)域。
4.低畸變：鏡頭設(shè)計需要盡可能減小像差和畸變，以確保投影的圖案保持形狀和精確度。
三．透射式光刻物鏡：
SYNOPSYS 的 DSEARCH 功能可以直接從零開始搜索初始結(jié)構(gòu)。
由于光刻物鏡的鏡片數(shù)非常多，可以通過搜索前后兩部分的結(jié)構(gòu)，再通過拼接優(yōu)化的方式進(jìn)行設(shè)計。
這是光刻鏡頭的前半部分以及搜索的 DSEARCH 文件，輸入的參數(shù)包括物方系統(tǒng)定義、元件數(shù)、F數(shù)、總長、后焦、材料、邊界條件等。搜索這樣一個11片全新的鏡頭所需要的時間不到5分鐘。
展開 淺談 光學(xué)天線。。
亞波長尺度的光場聚焦：與射頻波段的偶極子天線相類比，光學(xué)天線可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚于天線表面亞波長尺度的空間內(nèi)，極大提高了光子的態(tài)密度，因此被廣泛應(yīng)用于突破衍射極限，并增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用(light-matterinteraction)。
2.
光吸收與光熱轉(zhuǎn)換：制備光學(xué)天線的材料與制備微波波段電磁天線的材料一樣，可以是金，銀，鋁，銅等常見金屬。然而，金屬材料在光頻段已經(jīng)不再像微波波段那樣可以等效為完純導(dǎo)體，而是對電磁波具有巨大損耗，也即材料折射率的虛部相對實部不再是無窮大。這一特性使得光學(xué)天線對光的損耗增大，可以用作光學(xué)吸收器(absorber)。而光學(xué)天線吸收的光能最后被轉(zhuǎn)化成熱能，體現(xiàn)為溫度的上升。該特性被用于熱紅外探測器，太陽能(thermal
photovoltaic)，以及腫瘤的治療。
3.
光學(xué)濾波，偏振選擇與相位操控：當(dāng)光學(xué)天線被制備成陣列，又有了諸多新奇而有趣的特性。前面說過，在微波波段，有頻率選擇表面(Frequency
Selective Surface)和相控陣?yán)走_(dá)(Phased Array
Antenna)的概念。而在光頻段，同樣可以利用光學(xué)天線陣列實現(xiàn)光波的濾波，偏振選擇，以及相位操控。例如，最新一期的science封面文章，就是利用基于光學(xué)天線陣列(Nanoantenna
array)的光學(xué)超表面(Metasurface)，對平面圓偏振光各點的相位進(jìn)行調(diào)控，從而實現(xiàn)可見光波段的超薄平面式成像透鏡。可見，經(jīng)過巧妙設(shè)計的光學(xué)天線及其陣列，有望將傳統(tǒng)光學(xué)元件(濾光片，偏振片，成像透鏡等等)的諸多功能壓縮至光學(xué)薄膜的厚度上加以實現(xiàn)，也即平面光學(xué)元件(FlatOptics)。
目前光學(xué)天線是科研界的一個研究熱點，研究角度與應(yīng)用場合也較為廣泛，各種基于光學(xué)天線的新研究領(lǐng)域?qū)映霾桓F。
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Science | 納米尺度光的“反常”折射現(xiàn)象
除此之外，負(fù)折射聚焦形成的焦斑尺寸突破了傳統(tǒng)光學(xué)的瑞利衍射極限，為自然光波長的1/60，形成了極強(qiáng)的光場壓縮，與此同時，焦點處能量實現(xiàn)了10倍以上的聚焦增強(qiáng)。
圖2：（A，C）實驗(A)和模擬(C)的近場圖像說明了α-MoO?到石墨烯/α-MoO?異質(zhì)結(jié)構(gòu)的負(fù)折射現(xiàn)象，天線現(xiàn)在放置在α-MoO?側(cè)。（B，D）從石墨烯/α-MoO?異質(zhì)結(jié)構(gòu)到α-MoO?的可逆負(fù)折射，天線現(xiàn)在放置在石墨烯/α-MoO?側(cè)
正-負(fù)折射轉(zhuǎn)變的動態(tài)調(diào)控
當(dāng)界面兩側(cè)極化激元處于同一光學(xué)拓?fù)鋺B(tài)時，極化激元體系整體是光學(xué)平庸的，此時極化激元在邊界的折射屬于正常折射。當(dāng)界面兩側(cè)光學(xué)拓?fù)鋺B(tài)不同時，便會發(fā)生奇異的負(fù)折射效應(yīng)。
通過靜電柵壓改變石墨烯費(fèi)米能，研究團(tuán)隊可以實現(xiàn)界面正-負(fù)折射的主動調(diào)控和動態(tài)切換。
戴慶課題組通過構(gòu)造涂覆Si背柵的SiO?介電層向
石墨烯施加垂直電場（圖3A），成功調(diào)控了石墨烯的費(fèi)米能。這種柵極可調(diào)諧器件提供了在原位主動控制極化激元波前，并在納米尺度上改變聚焦位置和相應(yīng)光場的能力。在實驗（圖3B）和仿真（圖3C）中，隨著柵極電壓從+150逐漸變?yōu)?150 V，可以清
晰得看到石墨烯/α-MoO?
一側(cè)的波前逐漸變小，渠化，最后發(fā)生負(fù)折射，形成納米尺度的聚焦。
圖3：（A） 柵極可調(diào)諧器件的設(shè)計示意圖。（B） 實驗測量的從正折射到負(fù)折射轉(zhuǎn)變的近場圖像，柵極電壓從+150 V到-150 V變化。垂直黑色虛線表示石墨烯邊緣定義的界面。
展開 [VirtualLab] 高數(shù)值孔徑物鏡焦斑分析
另一個camera detector不包含Ez分量，則顯示橫向場分量|Ex|^2+|Ey|^2。
圖3. 探測器設(shè)置
為了實現(xiàn)對高數(shù)值孔徑物鏡的精確場追跡，需要使用廣義德拜積分。在VirtualLab Fusion中提供了三種傅里葉算法：快速傅里葉變換（FFT）、半解析傅里葉變換（SFT）和逐點傅里葉變換（PFT）。利用逐點傅里葉變換、逆向快速傅里葉變換和逆向半解析傅里葉變換便可以實現(xiàn)從高數(shù)值孔徑物鏡到探測器的廣義德拜積分，如圖4所示。
圖4. 廣義德拜積分設(shè)置
結(jié)果呈現(xiàn)
高數(shù)值孔徑物鏡的光線追跡結(jié)果如圖5所示
圖5. 光線追跡結(jié)果以及點列圖
場追跡的結(jié)果如圖所示，圖6左邊為探測器#609，結(jié)果包含Ez分量，右邊為探測器#611，結(jié)果不包含Ez分量。
圖6. 場追軌結(jié)果-camera detecor
電磁場探測器#611可以顯示完整顯示各個場分量，如圖7所示。第一行展示了Ex、Ey和Ez分量電場分布，第二行展示了Hx、Hy和Hz磁場分布。
圖7. 場追跡結(jié)果-electromagnetic field detector
VirtualLab Fusion的優(yōu)勢在于，它并非只給出單一結(jié)果，而是能夠圍繞光場傳播、聚焦和成像過程建立完整分析鏈路。仿真的重點通常放在焦區(qū)三維電場分布分析。通過VirtualLab Fusion，可以觀察焦點附近橫向與縱向的光強(qiáng)變化，并提取焦斑半高全寬、軸向延伸長度和能量集中度等指標(biāo)。與傳統(tǒng)二維點圖不同，三維結(jié)果更能揭示高NA聚焦的本質(zhì)：焦斑并不是一個簡單的圓點，而是由主峰、旁瓣及可能存在的非對稱結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成。若入射為線偏振光，焦斑往往表現(xiàn)出一定方向性；若改為徑向偏振光，則可能獲得更強(qiáng)的縱向電場與更緊湊的聚焦效果。
在案例分析中，還應(yīng)關(guān)注參數(shù)變化對焦斑的影響。
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光學(xué)界面序列（Optical Interface Sequence） 46
3.3.6 其它類型光學(xué)元件 48
3.4 探測器 48
3.4.1 探測器通用界面 48
3.4.2 光路圖內(nèi)的探測器 50
3.4.3 諧波場和諧波場集探測器 52
3.4.4 數(shù)值陣列探測器 52
3.5 分析器 53
3.6 計算器 54
3.7 元件的位置和方向 54
3.7.1 光路元件 55
3.7.2 元件位置的定義 55
3.7.3 位置和方向確定規(guī)則 56
3.7.4 方向與位置的坐標(biāo)系統(tǒng) 56
3.7.5 輸出通道的方向 57
3.7.6 輸出通道的自動方向 57
3.7.7 坐標(biāo)斷點元件 58
3.7.8 位置和方向設(shè)置 58
3.7.9 光路視圖（定位） 60
3.7.10 角度定義 61
3.7.11 基本位置/方向與獨(dú)立位置/方向的對比：移動 63
3.7.12 基本位置/方向與獨(dú)立位置/方向的對比：傾斜 64
3.8 光路圖（Light Path Diagram） 64
3.8.1 新建光路圖 64
3.8.2 生成光路視圖&光路編輯窗口 65
3.8.3 光路視圖 66
3.8.4 光路編輯器 67
3.9 三種模擬引擎 70
3.9.1 球透鏡聚焦系統(tǒng) 70
3.9.2 三種引擎結(jié)果對比 71
3.10 參數(shù)運(yùn)行（Parameter Run） 73
3.10.1 創(chuàng)建參數(shù)運(yùn)行 73
3.10.2 參數(shù)指定界面 73
3.10.3 使用模式
展開 前沿進(jìn)展 | 多焦點光場顯微成像技術(shù)
在過去的幾十年里，研究者們開發(fā)了多種快速、高質(zhì)量的體成像方法，其中光場顯微成像技術(shù)（light-field microscopy, LFM）由于其高并行性和低光毒性受到研究者的青睞。通過在光路中加入微透鏡陣列（microlens array, MLA），LFM可以在單次拍攝中對三維空間內(nèi)的高維光信息進(jìn)行編碼。通過配套的反解算法，可以以高保真度還原場景的三維信息。然而，LFM的分辨率與體覆蓋率相互制約，重建三維體的分辨率隨著離焦距離的增大而快速下降，這阻礙了LFM在大范圍活體場景下的應(yīng)用。為了突破這一限制，研究者們提出了一些方法，包括使用雙聚焦微透鏡陣列[1]或者采用共聚焦光場顯微系統(tǒng)[2]等等，但是這些方法增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。如何低成本地擴(kuò)大光場成像的高分辨率范圍仍是一個充滿吸引力的課題。
論文導(dǎo)讀
近日，來自清華大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)研究院、自動化系的研究團(tuán)隊提出了一種多焦點同步采集的球差輔助掃描光場成像方法(Spherical-Aberration-assisted scanning LFM, SAsLFM)。在先前提出的掃描光場技術(shù)的基礎(chǔ)上[3,4]，研究人員利用折射率不匹配引入球差相位調(diào)制，對不同子孔徑分量焦點的空間位置進(jìn)行再分配，從而實現(xiàn)同步多焦點體數(shù)據(jù)采集。通過相空間分塊融合的重建算法，可以從SAsLFM采集所得的高維光場數(shù)據(jù)中抽離出不同深度的高分辨信息并進(jìn)行匹配融合，以此還原大尺度高分辨的三維體信息。
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3.3.6 其它類型光學(xué)元件 48
3.4 探測器 48
3.4.1 探測器通用界面 48
3.4.2 光路圖內(nèi)的探測器 50
3.4.3 諧波場和諧波場集探測器 52
3.4.4 數(shù)值陣列探測器 52
3.5 分析器 53
3.6 計算器 54
3.7 元件的位置和方向 54
3.7.1 光路元件 55
3.7.2 元件位置的定義 55
3.7.3 位置和方向確定規(guī)則 56
3.7.4 方向與位置的坐標(biāo)系統(tǒng) 56
3.7.5 輸出通道的方向 57
3.7.6 輸出通道的自動方向 57
3.7.7 坐標(biāo)斷點元件 58
3.7.8 位置和方向設(shè)置 58
3.7.9 光路視圖（定位） 60
3.7.10 角度定義 61
3.7.11 基本位置/方向與獨(dú)立位置/方向的對比：移動 63
3.7.12 基本位置/方向與獨(dú)立位置/方向的對比：傾斜 64
3.8 光路圖（Light Path Diagram） 64
3.8.1 新建光路圖 64
3.8.2 生成光路視圖&光路編輯窗口 65
3.8.3 光路視圖 66
3.8.4 光路編輯器 67
3.9 三種模擬引擎 70
3.9.1 球透鏡聚焦系統(tǒng) 70
3.9.2 三種引擎結(jié)果對比 71
3.10 參數(shù)運(yùn)行（Parameter Run） 73
3.10.1 創(chuàng)建參數(shù)運(yùn)行 73
3.10.2 參數(shù)指定界面 73
3.10.3 使用模式 74
3.10.4 探測器指定界面 75
3.10.5 結(jié)果界面 75
3.10.6 合并輸出 76
3.10.7 并行化和數(shù)據(jù)量 76
3.11 參數(shù)優(yōu)化（Parameter Optimization） 76
3.11.1 創(chuàng)建參數(shù)優(yōu)化 77
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