矢量光場仿真的案例
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 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，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）
下面是書上的結果 與 我復現的結果對比
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別是，貝塞爾高斯光外面的光強會弱很多（如下圖右下），而貝塞爾光在外面的光強依然會很強（如下圖左上），從原點沿著徑向看過去，貝塞爾光的光強符合貝塞爾函數。
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 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 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
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