光通量仿真的案例
LITESTAR 4D應(yīng)用：植物照明中光量子通量密度（PPFD）的計算
設(shè)計要求
選擇合適的LED燈具，光照均勻，查看光量子通量密度（PPFD）判斷其合理性
設(shè)計內(nèi)容
室內(nèi)植物照明
設(shè)計方案（截取部分報表）
FRED案例展示：輻射光源與光通量光源
作為光通量光源類型的補(bǔ)充，F(xiàn)RED 提供了光通量分析功能，如照度和光強(qiáng)。照度的單位為勒克斯lx（lm/m2）、照度單位（lm/cm2）或英尺燭光（lm/ft2），光照度是輻射通量輻照度（W/m2）的光通量等效量。輻照度和光照度計算使用常規(guī)的平面分析面。光強(qiáng)的單位為坎德拉cd（lm/sr），光強(qiáng)度是輻射通量強(qiáng)度（W/sr）的光通量等效量。強(qiáng)度（在極坐標(biāo)網(wǎng)格上）和光強(qiáng)計算使用方向分析實體。
OptiSystem：環(huán)形通量仿真
環(huán)形通量，顧名思義就是描述了光纖內(nèi)部圓形半徑內(nèi)的通量。環(huán)繞通量通常被量化為從光纖中心開始的半徑，該半徑需要環(huán)繞穿過光纖的25%到75%的光能。由環(huán)繞通量值描述的光纖的功率分布是確保千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)中所需數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵因素。
本教程介紹使用環(huán)形通量分析儀進(jìn)行的環(huán)形通量模擬。
1.仿真任務(wù)
在本例中，光學(xué)發(fā)射器將產(chǎn)生一個拉蓋爾-高斯空間模式LG00，光斑大小等于10μm。空間連接器的X和Y軸偏移為10μm。光纖的半徑為25μm，這與環(huán)繞的通量分析儀的分析半徑相同。
使用參數(shù)掃描將X和Y的值設(shè)置為0,2,4,6,8,10 mm，觀察環(huán)形通量的變化。
2.仿真步驟
下圖所示為光路圖。
光路布局
光斑模式設(shè)置
X和Y偏移設(shè)置
使用參數(shù)掃描將X和Y的值設(shè)置為0,2,4,6,8,10 mm。
3.仿真結(jié)果
使用環(huán)繞通量分析儀，您可以看到信號的環(huán)繞通量和平均強(qiáng)度。
第一張圖（左）顯示了發(fā)射器輸出處的模式。模式以（0,0）為中心，通量圖顯示最大通量約為10μm。
光斑圖 環(huán)通曲線
圖一 發(fā)射器的光斑圖和環(huán)通曲線
在空間連接器之后，橫模（中心圖）移動了10μm，最大通量約為20μm。
光斑圖 環(huán)通曲線
圖二 空間連接器后光斑圖和環(huán)通曲線
圖三為光纖輸出處模式的總和：信號以（0,0）為中心，通量圖顯示了20μm處的最大通量。
光斑圖 環(huán)通曲線
圖三 傳纖后光斑圖和環(huán)通曲線
我們可以比較每次掃描的環(huán)通量圖。
圖四 環(huán)通曲線隨X和Y變化關(guān)系
展開 [Optiwave] OptiSystem應(yīng)用：環(huán)形通量仿真
環(huán)形通量，顧名思義就是描述了光纖內(nèi)部圓形半徑內(nèi)的通量。環(huán)繞通量通常被量化為從光纖中心開始的半徑，該半徑需要環(huán)繞穿過光纖的25%到75%的光能。由環(huán)繞通量值描述的光纖的功率分布是確保千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)中所需數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵因素。
本案例介紹使用環(huán)形通量分析儀進(jìn)行的環(huán)形通量模擬。
1. 仿真任務(wù)
在本例中，光學(xué)發(fā)射器將產(chǎn)生一個拉蓋爾-高斯空間模式LG00，光斑大小等于10μm。空間連接器的X和Y軸偏移為10μm。光纖的半徑為25μm，這與環(huán)繞的通量分析儀的分析半徑相同。
使用參數(shù)掃描將X和Y的值設(shè)置為0,2,4,6,8,10 mm，觀察環(huán)形通量的變化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
光路布局
光斑模式設(shè)置
X和Y偏移設(shè)置
使用參數(shù)掃描將X和Y的值設(shè)置為0,2,4,6,8,10 mm。
3. 仿真結(jié)果
使用環(huán)繞通量分析儀，您可以看到信號的環(huán)繞通量和平均強(qiáng)度。
圖一（左）顯示了發(fā)射器輸出處的模式。模式以（0,0）為中心，通量圖顯示最大通量約為10μm:
圖一 發(fā)射器的光斑圖和環(huán)通曲線
圖二顯示在空間連接器之后，橫模（中心圖）移動了10μm，最大通量約為20μm:
圖二 空間連接器后光斑圖和環(huán)通曲線
圖三光纖輸出處模式的總和。信號以（0,0）為中心，通量圖顯示了20μm處的最大通量:
圖三 傳纖后光斑圖和環(huán)通曲線
我們可以比較每次掃描的環(huán)通量圖：
圖四 環(huán)通曲線隨X和Y變化關(guān)系
展開 
OptiSystem應(yīng)用：環(huán)形通量仿真
環(huán)形通量，顧名思義就是描述了光纖內(nèi)部圓形半徑內(nèi)的通量。環(huán)繞通量通常被量化為從光纖中心開始的半徑，該半徑需要環(huán)繞穿過光纖的25%到75%的光能。由環(huán)繞通量值描述的光纖的功率分布是確保千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)中所需數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵因素。
本案例介紹使用環(huán)形通量分析儀進(jìn)行的環(huán)形通量模擬。
1. 仿真任務(wù)
在本例中，光學(xué)發(fā)射器將產(chǎn)生一個拉蓋爾-高斯空間模式LG00，光斑大小等于10μm。空間連接器的X和Y軸偏移為10μm。光纖的半徑為25μm，這與環(huán)繞的通量分析儀的分析半徑相同。
使用參數(shù)掃描將X和Y的值設(shè)置為0,2,4,6,8,10 mm，觀察環(huán)形通量的變化。
2. 仿真步驟
下圖所示為光路圖。
光路布局
光斑模式設(shè)置
X和Y偏移設(shè)置
使用參數(shù)掃描將X和Y的值設(shè)置為0,2,4,6,8,10 mm。
3. 仿真結(jié)果
使用環(huán)繞通量分析儀，您可以看到信號的環(huán)繞通量和平均強(qiáng)度。
圖一（左）顯示了發(fā)射器輸出處的模式。模式以（0,0）為中心，通量圖顯示最大通量約為10μm：
圖一 發(fā)射器的光斑圖和環(huán)通曲線
圖二顯示在空間連接器之后，橫模（中心圖）移動了10μm，最大通量約為20μm:
圖二 空間連接器后光斑圖和環(huán)通曲線
圖三光纖輸出處模式的總和。
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環(huán)形通量，顧名思義就是描述了光纖內(nèi)部圓形半徑內(nèi)的通量。環(huán)繞通量通常被量化為從光纖中心開始的半徑，該半徑需要環(huán)繞穿過光纖的25%到75%的光能。由環(huán)繞通量值描述的光纖的功率分布是確保千兆以太網(wǎng)系統(tǒng)中所需數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)鍵因素。
本案例介紹使用環(huán)形通量分析儀進(jìn)行的環(huán)形通量模擬。 1. 仿真任務(wù)在本例中，光學(xué)發(fā)射器將產(chǎn)生一個拉蓋爾-高斯空間模式LG00，光斑大小等于10μm。空間連接器的X和Y軸偏移為10μm。光纖的半徑為25μm，這與環(huán)繞的通量分析儀的分析半徑相同。使用參數(shù)掃描將X和Y的值設(shè)置為0,2,4,6,8,10 mm，觀察環(huán)形通量的變化。
2. 仿真步驟下圖所示為光路圖。
光路布局
光斑模式設(shè)置
X和Y偏移設(shè)置
使用參數(shù)掃描將X和Y的值設(shè)置為0,2,4,6,8,10 mm。
3. 仿真結(jié)果使用環(huán)繞通量分析儀，您可以看到信號的環(huán)繞通量和平均強(qiáng)度。圖一（左）顯示了發(fā)射器輸出處的模式。模式以（0,0）為中心，通量圖顯示最大通量約為10μm:
圖一 發(fā)射器的光斑圖和環(huán)通曲線 圖二顯示在空間連接器之后，橫模（中心圖）移動了10μm，最大通量約為20μm:
圖二 空間連接器后光斑圖和環(huán)通曲線 圖三光纖輸出處模式的總和。信號以（0,0）為中心，通量圖顯示了20μm處的最大通量:
圖三 傳纖后光斑圖和環(huán)通曲線 我們可以比較每次掃描的環(huán)通量圖：
圖四 環(huán)通曲線隨X和Y變化關(guān)系
展開 9，comsol仿真線偏振平面光，圓偏振平面光，橢圓偏振平面光在真空中的傳播 ￥200
spm_id_from=333.999.0.0</a> ），介紹了使用背景場仿真線偏振，圓偏振，橢圓偏振在真空中的傳播。</p><p>具體如下：</p><p>1，平面光在真空中的傳播</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img src="https://img.jishulink.com/upload/202202/f290a08d3f6c426aabffc7b5476e8eb3.gif" title="1，背景場-平面光.gif" alt="1，背景場-平面光.gif" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202202/f290a08d3f6c426aabffc7b5476e8eb3.gif?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202202/f290a08d3f6c426aabffc7b5476e8eb3.gif?
展開 空間光調(diào)制器像素處光衍射的仿真
空間光調(diào)制器(SLM.0002 v1.1)
應(yīng)用示例簡述
1. 系統(tǒng)細(xì)節(jié)
? 光源
— 高斯光束
? 組件
— 反射型空間光調(diào)制器組件及后續(xù)的2f系統(tǒng)
? 探測器
— 視覺感知的仿真
— 電磁場分布
? 建模/設(shè)計
— 場追跡：
? 一個SLM像素陣列處光傳播的仿真，仿真中包括了SLM像素間無功能間隔引起的衍射效應(yīng)。
2. 系統(tǒng)說明
3. 模擬 & 設(shè)計結(jié)果
4. 總結(jié)
考慮SLM像素間隔來研究空間光調(diào)制器的性能。
第1步
將像素間隔引入到一個先前設(shè)計的用于光束整形的SLM透射函數(shù)。
第2步
分析不同區(qū)域填充因子的對性能的影響。
產(chǎn)生的衍射效應(yīng)對SLM的光學(xué)功能以及效率具有重大影響。
應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容
系統(tǒng)參數(shù)
1. 該應(yīng)用實例的內(nèi)容
2. 設(shè)計&仿真任務(wù)
由于制造和技術(shù)的原因，像素之間存在非功能間隔。這種典型的間隔會產(chǎn)生衍射效應(yīng)，從而影響SLM的光學(xué)性能，并在接下來的工作中對其進(jìn)行研究。
3. 參數(shù)：輸入近乎平行的激光束
4. 參數(shù)：SLM像素陣列
5. 參數(shù)：SLM像素陣列
應(yīng)用示例詳細(xì)內(nèi)容
仿真&結(jié)果
1. VirtualLab能夠模擬具有間隔的SLM
? 由于可以嵌入組件，VirtualLab可以輕松的實現(xiàn)反射系統(tǒng)(如反射鏡，2f系統(tǒng)等)。
? 內(nèi)置的SLM模式可以實現(xiàn)從簡單透射函數(shù)到包含像素和間隔的陣列的自動轉(zhuǎn)換。
2.
展開 14，comsol仿真渦旋光，矢量光
在之前的一篇帖子中，介紹了用comsol仿真線偏振平面光，圓偏振平面光，橢圓偏振平面光。這些都是本科階段接觸到的光源，它們有一個特點(diǎn)，就是它們的波前是平面的。到了研究生階段，就會接觸到一些特殊的光源，比如渦旋光和矢量光。取一部分特殊的光，大概分類如下（注意這只是一部分特殊的光，而非全部）
下面是書上的結(jié)果 與 我復(fù)現(xiàn)的結(jié)果對比
1，拉蓋爾-高斯 光
拉蓋爾-高斯光的波前不是平面的，而是一個螺旋面，LG11的等相位面等于0的波前傳播動圖如下
比較有趣的是拉蓋爾-高斯光的偏振方向，如果定義輸入的偏振方向為z軸，那么計算出來偏振方向除了在z軸方向有分量，還在傳播方向x軸方向有傳播分量。
2，貝塞爾 光 和 貝塞爾-高斯 光
貝塞爾 光
貝塞爾-高斯 光
貝塞爾光與貝塞爾高斯光相比的區(qū)別是，貝塞爾高斯光外面的光強(qiáng)會弱很多（如下圖右下），而貝塞爾光在外面的光強(qiáng)依然會很強(qiáng)（如下圖左上），從原點(diǎn)沿著徑向看過去，貝塞爾光的光強(qiáng)符合貝塞爾函數(shù)。
3，角向偏振光 徑向偏振光
4，貝塞爾-高斯 角向偏振光
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 31，comsol仿真高斯光經(jīng)過渦旋板變成渦旋光 ￥1200
comsol仿真高斯光經(jīng)過渦旋板變成渦旋光，其中渦旋板的建模要動點(diǎn)腦子
comsol模型在下面的付費(fèi)內(nèi)容中
利用RSoft的BPM算法對光波導(dǎo)和簡單光波導(dǎo)器件進(jìn)行仿真 ￥15
RSoft是一款非常實用的光波導(dǎo)仿真軟件。其中包含了BPM,FDTD,FEM等多種算法，使得它能夠適用于各種不同要求場合。本課程主要使用RSoft算法集中的BPM算法對光波導(dǎo)和簡單光波導(dǎo)器件進(jìn)行仿真計算，從而對光在波導(dǎo)中的傳輸有一定得了解。
一、軟件CAD界面：
下載網(wǎng)站上的壓縮包，解壓縮后運(yùn)行C:\Program Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現(xiàn)如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和下一步計算的前提。
二、單根波導(dǎo)的仿真：
在軟件中，點(diǎn)擊左上角的”New Circuit”按鈕，如圖所示。
點(diǎn)擊后彈出基本設(shè)置對話框，波導(dǎo)的一些基本特性參數(shù)需要在此設(shè)定。我們模擬目前光通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導(dǎo)（channel型）。波導(dǎo)橫截面的尺寸結(jié)構(gòu)為6um*6um，芯層折射率為1.465，包層折射率為1.455（包層和芯層的折射率差為0.01），通信波長為1.55um。基本參數(shù)的設(shè)定如下圖所示（注意，軟件中關(guān)于長度的單位均為um）：
設(shè)置完畢后點(diǎn)擊”O(jiān)K”，進(jìn)入CAD界面。
首先畫一根直波導(dǎo)。點(diǎn)擊”Segment mode” （新建文件時默認(rèn)就是此模式），如上圖紅圈所示。之后在空白的CAD窗口中某一處單擊鼠標(biāo)左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出一條波導(dǎo)，如下圖所示。
到目前為止，畫出的波導(dǎo)是任意的，我們還需要對它進(jìn)行設(shè)置，滿足我們設(shè)計的要求。將鼠標(biāo)移動至波導(dǎo)上（紅色區(qū)域上），再單擊鼠標(biāo)右鍵，會彈出波導(dǎo)的設(shè)置菜單。由于我們只需要仿真普通的直波導(dǎo)，所以大部分設(shè)置保持默認(rèn)即可。主要需要調(diào)整波導(dǎo)的位置。在RSoft軟件中，波導(dǎo)位置是由首尾兩個坐標(biāo)確定的，并且BPM計算的光是只沿著z軸傳播（即豎直方向），這個是需要特別注意的。
展開 VirtualLab運(yùn)用：仿真一個空間光調(diào)制器像素點(diǎn)處光的衍射
光束整形＞衍射光學(xué)
任務(wù)/系統(tǒng)說明
亮點(diǎn)
?使用空間光調(diào)制器（SLM）模擬光束整形
?研究SLM像素間非功能性間距的影響
說明：光源
說明：SLM像素陣列
說明：傅立葉透鏡
說明：探測器
結(jié)果：3D系統(tǒng)視圖
結(jié)果：SLM近場區(qū)域
結(jié)果：SLM的遠(yuǎn)場區(qū)域
結(jié)果：SLM遠(yuǎn)場區(qū)域
文件&技術(shù)信息
混色導(dǎo)光管的仿真
發(fā)光二極管，或者LED，早已超越了白熾燈光源，應(yīng)用也越來越廣泛。LED具有尺寸小、發(fā)光效率高、使用壽命長[1]等優(yōu)點(diǎn)。LED也有光學(xué)工程師必須處理的不良特性，比如混色和準(zhǔn)直的需要。在這個例子中，我們看一個混合準(zhǔn)直透鏡的示例。
FRED模型
白光可以使用具有藍(lán)光發(fā)射芯片和黃色熒光粉的LED來創(chuàng)建。產(chǎn)生白光的另一種方法是以適當(dāng)?shù)谋壤旌霞t光、綠光和藍(lán)光。這種方法可以更準(zhǔn)確的控制色溫。如果將紅色、綠色和藍(lán)色靠在一起放置，顏色將最終在足夠大的距離上混合。然而，輻照度分布在更大的區(qū)域，且不是空間均勻的（圖1）。
圖1.來自RGB LED兩個距離處的彩色圖像：14.5mm（左）和100mm（右）。每個LED直徑為4.79mm。
為了在受控區(qū)域內(nèi)均勻地混合波長，可以構(gòu)造一個塑料的六邊形光管。光管是由布爾操作來創(chuàng)建的。第一個Boolean組件是尺寸為14*14*100（寬*高*長）的矩形塊，再添加四個相同尺寸的矩形塊。移動并旋轉(zhuǎn)這些矩形塊，讓它們裁剪第一個矩形塊的每個角，最終成為一個六角棒。
圖2.使用Element Boolean函數(shù)的六角棒的創(chuàng)建。左：剪裁前的矩形塊。中：Boolean操作。右：剩余的六角棒形狀
模擬光管的另一個方法是創(chuàng)建一個由分段曲線（六邊形的每個點(diǎn)）組成的自定義元件，然后拉伸成為一個柱狀面。
執(zhí)行RGB LED通過光管的光線追跡后，均勻的色彩混合產(chǎn)生了。然而，色溫太暖：紅色占據(jù)了彩色圖。一旦LED之間的相對功率輸出經(jīng)過調(diào)整，可以在彩色圖像上獲得白光（圖3）。
圖3.具有相等RGB功率輸出的100mm長六邊形光管末端的彩色圖像。右：調(diào)整后RGB功率輸出（0.4W，1.0W，0.7W）的彩色圖
[1] “New Report Explores the Global Industrial and
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(jī)的，當(dāng)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(yīng)用，包括偏振太陽鏡，偏振相機(jī)和3D電影等，而且在偏振檢測和偏振成像等科學(xué)研究方面也得到了廣泛的應(yīng)用。但由于課時限制等原因，以上內(nèi)容基本是光學(xué)課程介紹的內(nèi)容，相對比較簡單和陳舊。光學(xué)的發(fā)展促進(jìn)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(lǐng)域具有重要的潛在發(fā)展前景。因此，有必要引入光學(xué)發(fā)展前沿，鼓勵學(xué)生探索光學(xué)新發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教研融合。同時，考慮到知識的難度，我們需要結(jié)合虛擬仿真實驗對光學(xué)理論和模型進(jìn)行精確仿真和可視化，從而直觀呈現(xiàn)抽象的物理過程，提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率[2]。
本文以矢量偏振光束通過高數(shù)值孔徑物鏡的衍射為例，基于MATLAB模擬仿真展示偏振態(tài)對光場傳播過程和聚焦光場的影響。對于低數(shù)值孔徑透鏡，只需使用傍軸近似或夫瑯禾費(fèi)近似的標(biāo)量衍射理論。但是，對于高數(shù)值孔徑透鏡，聚焦光場與偏振狀態(tài)密切相關(guān)，特別是對于矢量光束，聚焦光場將呈現(xiàn)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(biāo)量衍射積分的基礎(chǔ)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(tài)等。首先，根據(jù)矢量衍射理論推導(dǎo)了聚焦場分布積分表示；進(jìn)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(xué)生提供直觀的可視化結(jié)果。
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