高斯光學分析的案例
SYNOPSYS 光學設計軟件課程三十：理解高斯光束
課程三十：理解高斯光束
背景：
激光器通常產生直徑非常小的光束，經常用作各種光學系統光源。這種光束的強度是不均勻的，在理想情況下遵循高斯分布，因此而命名為高斯光束，且在大多數實際情況下以特有的方式偏離該分布。在設計和分析具有這種分布的系統時，必須考慮兩個問題：輪廓的形狀以及直徑非常小的光束在傳播時表現出強烈衍射效應。
SYNOPSYS 中的高斯光束
作為一個適應性強的光學程序，目標是在盡可能在不那么復雜的情況下獲得準確的結果。因此，該程序以新穎獨特的方式分析這種光束的特殊性質。
主要問題是，如果光束直徑很小，衍射作用貫穿了整個光束的傳輸。另一方面，光線穿過普通透鏡，光束直徑遠大于光的波長，沿著直線進行非常好的近似，然后我們可以處理為光線了。高斯光束很難傳播一段距離后還保持光束直徑很小。光線的路徑（波前）是彎曲的，在光線追跡中需要特別注意。
考慮以下系統:
RLE
ID OBG DEMO
OBG .15 2
UNI MM
WA1 .6328
1 TH 50
2 RD -2.55 TH 2 GTB S
BK7
2 CAO 2
3 CAO 2
3 RD -55 TH 100
4 RD 100 TH 2 PIN 2
5 TH 50 UMC
4 CAO 10
5 CAO 10
7
AFOC
END
按照高斯光束的規則，物面被聲明為 “OBG” 類型，腰在表面 1，半徑為 0.15 毫米。
展開 ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中模擬激光光束傳播：第三部分 使用物理光學傳播來模擬高斯光束
每天掌握一些光學知識！
有以下三種工具可在 OpticStudio 的序列模式中模擬高斯光束傳播：
基于光線的方式
近軸高斯光束分析
物理光學傳播
本系列的三篇文章旨在介紹如何創建一個高斯激光光源、如何分析光束通過光學系統時的傳播和如何使用上述三種方式優化至最小光斑。
前面我們講到了本系列文章的前兩篇：
· 高斯光束理論和基于光線的方式
· 使用近軸高斯光束工具來模擬高斯光束
本文也會介紹適用于特定情況的最佳模擬方式，是系列文章的第三篇，重點介紹如何使用物理光學傳播工具來建模高斯光束，以及何時使用哪種工具。【 聯系我們下載文章中的附件。】
簡介
激光工程師經常發現有必要對激光在光學系統中的傳播進行建模。與基于光線的方法不同，物理光學傳播 (POP) 通過傳播相干波前來模擬激光光束，因此允許對任意相干光束進行非常詳細的研究。在接下來的章節中，我們將介紹如何使用 POP 建模光束傳播。
物理光學傳播
物理光學傳播通過傳播波前來模擬光學系統中的傳播。光束由離散采樣點的陣列上的數據表示，類似于用光線進行幾何光學分析的離散采樣。整個陣列通過光學表面之間的自由空間傳播。在每個光學表面上，系統會計算一個將光束從光學表面的一邊傳播到另一邊的轉換函數。因為光束是由其全部復值電場陣列描述的，所以物理光學傳播 POP 允許仔細研究任意相干光束，包括高斯或任何形式的高階多模激光束（光束是用戶可定義的）、遠焦衍射影響或有限鏡頭孔徑的影響（如空間濾波器）。這篇文章將不會深入如何使用物理光學傳播工具的細節。
展開 ASAP 高級光學系統分析軟件，光學系統雜散光分析與控制第28屆培訓班
ASAP 高級光學系統分析軟件，光學系統雜散光分析與控制第28屆培訓班
什么是光學計算？如何在 COMSOL 中分析光學計算器件
光學計算是替代當前電子計算機的另一種可能形式。在這篇文章中，我們將探討光學計算的概念，并解釋了光學矩陣乘法網絡是如何工作的。我們還討論了如何使用 COMSOL Multiphysics? 軟件及其附加產品——波動光學模塊對光學計算設備進行建模。結合這些產品的使用，展示了在模擬大型光學系統時應用波束包絡法的優勢。
光學計算簡介
摩爾定律
在過去的幾十年里，計算機的能力一直呈指數級增長。這種增長遵循摩爾定律，即集成電路中的晶體管數量每兩年翻一番，而計算機的成本將降低。這使得我們今天享有的大部分現代技術成為可能。例如，主流計算機芯片完全基于晶體管等電子元件，每塊芯片的晶體管數量幾乎每兩年就會翻一番。為了跟上這種增長，并在可控的功率效率下提高計算機芯片的性能，芯片上的電子元件(包括晶體管)的小型化既關鍵又不可避免。盡管工程師們在這方面做了出色的工作，將晶體管從厘米尺度縮小到納米尺度，但重要的是要認識到，最終基本的限制將阻礙這類設備的發展。例如，當一個電子元件的尺寸接近原子水平時，量子效應將導致其功能不穩定。科學和工程界長期以來一直在考慮電子計算機的替代形式。最近引起廣泛關注的一種替代是光學計算——指用光(光子)而不是電流(電子)進行計算。
雖然光學計算是一項新興技術，但光學在信息技術中的應用已經有相當長的一段時間了，特別是利用光進行信息傳輸。損耗極低的光纖可以以光速長距離傳輸信息。光纖網絡設備常用于數據中心甚至普通家庭。然而，在商業化方面，利用光進行計算仍處于起步階段。
光學中的數學計算
眾所周知，某些光學過程對應于數學計算。例如，考慮光的衍射。當光通過衍射介質時，本質上是在進行傅里葉變換積分。然而，光學系統是否可以像我們今天擁有的計算機一樣進行通用數學計算，可能還不是很清楚。目前，光學計算有許多不同的形式。
展開 
Moldex3D模流分析之光學射出光學件成型仿真
料光學組件由于加工特性帶來的高性價比及可應用性，在光電、3C及汽車等領域被廣泛應用取代傳統玻璃材料，但高肉厚和高厚薄比的極端產品設計應用射出成型制程容易產生噴流、包封、表面凹痕、真空泡等成型缺陷，需要的冷卻時間過長與過大的體積收縮率也導致產品精度與生產效率難以提升。
分層射出是光學產品極端設計的解決方案之一，透過將極端產品設計分解成堆棧的A-B層依序成型，改善高肉厚帶來的成型挑戰。Moldex3D光學分析支持預測多材質射出A-B層在成型過程產生的流動殘留應力與熱殘留應力，并提供最終產品的條紋級數與光彈條紋，利用Moldex3D進行多材質射出的光學分析。
第一射(A層)分析
步驟1: 為第一射仿真準備模型及分析組別
首先在Moldex3D Studio準備好第一射的射出成型分析組別，選擇的材料文件必須具有光學性質頁簽，包含無配向之折射率、流動導致應力光學系數、和熱導致應力光學系數等參數。
步驟2: 為第一射模擬設置計算參數及分析計算
在計算參數的黏彈/光學頁簽中，勾選預測流動殘留應力在流動/保壓階段和預測流動殘留應力在冷卻階段。確認完所有的分析設定后，將組別送出計算。待計算完成后在流動、保壓和冷卻分析均會輸出流動誘導殘留應力的結果項。
第二射(B層)分析
步驟3: 為第二射仿真準備模型及分析組別
接著為第二射準備新的分析組別，模型包含產品(B層)和嵌件(A層)。與第一射分析相同，用戶必須選擇具有光學性質的產品與嵌件材料文件，且嵌件的幾何和材料必須與第一射相符。
步驟4: 為第二射模擬設置多材質射出之光學件分析
分析順序設定中，選擇瞬時分析加上光學分析，確保光學分析可以完整考慮流動導致應力和熱導致應力的效應。
展開 線下培訓 | 《 ASAP 光學系統分析波動光學》正在招生中
ASAP · 光學系統分析波動光學 · 線下培訓
波動光學（wave optics）波動光學是光學中非常重要的組成部分，內容包括光的干涉、光的衍射、光的偏振等，無論理論還是應用都在物理學中占有重要地位。粒子在光場或其他交變電場的作用下，產生振動的偶極子，發出次波。用這樣模型來說明光的吸收、色散、散射、磁光、電光等現象，甚至光的發射也是一般波動光學的內容。
· 培訓主題
·
ASAP 光學系統波動光學
武漢墨光計劃2023年06月14日-16日在武漢舉辦《 ASAP 光學系統波動光學》線下培訓，共計三天。
本次課程涵蓋光源構造方法和相干光線追跡的 ASAP 方法。學習如何在光線追跡過程中正確地對物體進行采樣，如何將場傳播到邊緣和通過孔徑，以及如何將當前場分解為一組新的光束，識別和糾正場傳播問題。還將介紹適當的相干通量計算以及故障排除程序。
展開 [光學工程] JCMsuite納米光學仿真分析軟件
問題類型：JCMsuite能完美解決光學散射問題、波導設計問題、光學諧振問題以及線彈性問題、熱傳導問題和這些類型的任何耦合問題的時諧麥克斯韋方程。
自動數值設置：依賴于基于殘差的誤差估計，自動選擇各種數值設置，例如有限元度和PML設置（完美匹配層）。
材料和源：可以定義各種材料屬性，例如復雜和各向異性材料介電常數和磁導率張量、分散特性、導熱系數和剛度等。可以通過如平面波、周期性或孤立的偶極子、波束和波導模式來激勵結構。
后處理：特別支持和有效計算光學中所有必需的后處理，如傅立葉變換、遠場、能量通量、重疊積分、光學成像、共振膨脹和Purcell因子等。
3、分析和優化工具包
機器學習技術可以有效地分析和優化光學系統的性能。
優化：貝葉斯優化是一種高效的優化方法，能以更短的計算時間開發高性能設備。其他支持的優化方法包括Downhill Simplex優化，粒子群優化(particle swarm optimization)，差分進化（differential evolution）和L-BFGS-B方法。
積分：基于高斯過程，可以用相對較少的模擬結果計算參數積分。
預測：在學習階段之后，可以針對未知參數預測光學系統的性能。
04
—
應用領域
1、計算光刻
JCMsuite允許完整的光學模擬鏈：復雜照明的描述、通過光學成像系統和光掩模傳播的光場計算、直到光刻膠中的圖像形成。
2、計算計量
周期大于照明波長一半的結構的光學計量已成為標準的計量技術。然而，快速和嚴格的模擬技術以及設計的測量裝置的發展產生了在深亞波長范圍內的光學計量方法。
展開 在光源與光學器件研發中的應用——OAS光學分析軟件
OAS 光學分析軟件是第?款國產?主研發的序列/?序列光學系統設計和分析軟件，具有完整的系統整體設計與優化的功能。目前，OAS 光學分析軟件已成為光源與光學器件研發領域的重要工具。它以卓越的光學模擬精度、全面的分析功能、靈活的優化工具和用戶自定義擴展功能，助力研發人員將復雜的光學產品快速轉化為市場上的成熟產品。以下是OAS軟件在光源與光學器件研發中的幾個關鍵應用：
1.精確模擬：光學設計的基石
OAS 光學分析軟件提供的精確光學模擬功能，使得研發人員能夠創建和模擬各種光源和光學器件。無論是點光源、線光源還是面光源，甚至是復雜形狀的LED陣列，OAS都能輕松應對。這種高精度的建模能力為后續的仿真和優化提供了堅實的基礎，使得設計結果更加貼近實際產品。
2.深入分析：優化光學性能
OAS 光學分析軟件的光學分析功能覆蓋了幾何光學和波動光學的廣泛領域。它能夠模擬光線在光源中的發射、傳播和分布過程，幫助研發人員評估光源的發光特性，如光強分布、顏色均勻性等，并進行光譜分析和車燈設計模塊的仿真。這些分析工具使得研發人員能夠精確控制光源的性能，滿足不同應用場景的需求。
3.優化算法：提升設計效率
OAS 光學分析軟件內置了多種優化算法，如蒙特卡羅模擬、光線扇/網格等。研發人員可以設定優化目標，并指定優化參數的范圍。OAS將自動調整光源的結構和參數，以達到最佳效果。這種靈活的優化模式使得設計師能夠更高效地實現設計目標，提高產品的競爭力。
4.集成設計：協同光學元件
在光源與光學器件研發中，OAS 光學分析軟件提供了靈活的模型組合和光線追跡功能，使得研發人員能夠方便地模擬光源與光學元件之間的相互作用，優化整個光學系統的性能。這種集成設計方法不僅提高了設計效率，還確保了光學系統在實際應用中的穩定性和可靠性。
展開 線上培訓 | 第15期《 ASAP 光學系統分析波動光學》招生中
· 培訓主題
·
ASAP 光學系統波動光學
武漢墨光將在2023年03月29日-31日舉辦《 ASAP 光學系統波動光學》線上培訓。共計三天18個課時。
本次課程涵蓋光源構造方法和相干光線追跡的 ASAP 方法。學習如何在光線追跡過程中正確地對物體進行采樣，如何將場傳播到邊緣和通過孔徑，以及如何將當前場分解為一組新的光束，識別和糾正場傳播問題。還將介紹適當的相干通量計算以及故障排除程序。
Moldex3D模流分析之光學分析模組
光學分析的計算參數設定
這些設定完成后即可進行分析。返回 Moldex3D Studio，點擊分析順序 (Analysis sequence)，并選擇光學分析 (Optics)－O，以執行光學分析（下圖）。
分析順序設定
3. 后處理 (Post-processing)
在窗口顯示輸出的流域分布圖標
檢視光學分析模塊的分析結果的簡單方法就是在窗口顯示流域分布圖標。基本顯示步驟如下圖。
步驟1：從Studio中選擇適合的項目。
?選擇想要的組別
?在分析結果／光學（Result/Optics）選擇想要的結果
?選擇結果項目，例如：流動引發的光學性質、熱性質或光學性質總合
步驟2：從顯示工具欄（Display Toolbar）中選擇圖標，在顯示窗口（Display Window）中選擇想要查閱的分析結果。相關范例如下。
選擇光學分析中充填階段時流動引發的雙折射結果
1. 檢視制程中由流動引發的雙折射 (Flow-induced Birefringence during the Processing)
在計算完成之后，能檢查在充填、保壓及冷卻階段時由流動引發的光學性質。例如：要檢視組別的結果，請在Studio樹狀目錄中選擇組別（Run） > 分析結果（Result）> 光學分析（Optics）> 流動導致雙折射（flow-induced birefringence）。其結果將在顯示窗口（display window）中展現，如下圖。同樣地，使用相同的方法以檢視雙折射、光程差（下圖）、條紋級數與光彈條紋。
2.
展開 Moldex3D模流分析之光學分析模塊Optics
為什么使用塑料光學仿真?
Moldex3D 光學模塊(Optics)以現在光學組件逐漸輕薄短小之趨勢下，在狹小的流動空間下，流動導致之非等向性質將非常嚴重。所以成型過程所導致之雙折射、光程差及偏極化將成為射出成型之光學組件在設計制造上的主要瓶頸。Moldex3D光學模塊建立在真實三維實體技術上的流動分析，以黏彈性分析所預測出的流動殘留應力為出發，對于非等向性的分子排向而產生的雙折射現象能有良好的掌握。Moldex3D Optics提供使用者如何著手修改幾何外型、澆口設計、射速、保壓、冷卻系統等影響光學性質的重要加工因子。Moldex3D 更進一步與其他光學產品整合，如此用戶可以輸出變型結果及折射率分布后在如CODE V產品中來驗證設計。
受熱影響下的條紋級數與光彈條紋
挑戰
o 需求
? 產品微小化
? 高準確度
? 好的外觀質量
o 成型過程中會遇到的問題
? 流動不平衡
? 燒焦劣化
? 尺寸變型
? 材料相關問題
Moldex3D 解決方案
? 可視化光學塑件的充填行為
? 可視化流動導致之光程差、條紋級數與光彈條紋等光學性質
? 預測可能的成品瑕疵，包含短射、流動不平衡、尺寸收縮與翹曲變型
? 優化光學制造成型參數，包含充填速度、保壓壓力以及冷卻設計
? 利用與CODE V的整合，預測變形及折射率的分布不均
? 優化進澆及流道設計以提升產品質量
(a) 流動波前時間 (b) 翹曲變型
相機套筒的塑料射出成型模擬
(a) 流動導致條紋級數 (b) 流動導致光彈條紋
光學鏡片的塑料射出成型模擬
應用產業
? 光學產業
展開 
Moldex3D模流分析之運用模流分析軟件 增進精密光學新制程驗證效率
大綱
精密光學組件的射出成型技術發展至今已相當成熟，然而隨著成品精度的要求越來越高，包括殘留應力分布、翹曲及凹痕等問題都必須嚴格控制，因此成型技術的改良勢在必行。臺科大精密制造實驗室期望開發模內微壓縮成型(In-Mold Micro Compression, IMMC)制程，以改善射出成型所產生的缺陷。在開發之前，先藉由Moldex3D的射出壓縮成型模塊進行分析，判斷產品是否確實達到優化，以評估開發新制程的可行性。分析結果發現模內微壓縮成型在產品凹痕、體積收縮和集光效果等方面都有顯著改善；經實際試模和量測之后，同時也驗證Moldex3D分析的高準確度。
挑戰
?壓力分布不均
?體積收縮率過高
?翹曲變形問題
解決方案
藉由Moldex3D射出壓縮成型模塊進行傳統射出制程和IMMC制程的分析和比較，以決定是否應用新的制程。
效益
?壓力分布均勻度大幅改善
?產品光照度提升7.35%
?體積收縮率由6.62%降低至4.25%
案例研究
圖一 本案例的復合式棱鏡為塑料制的集光組件
復合式棱鏡是自然導光系統中的集光組件，用于室外或建筑物屋頂收集陽光(圖一)。為了提升產品的導光效率，澆口位置必須避開導光處，設計于產品薄端，卻因此不利壓力傳遞和塑料流動。此外，為了提升導光效果，產品中有兩處狹縫設計(圖二)，造成局部模溫較低。塑料流經模溫較低處時容易凝固而難以流動，導致壓力傳遞不易，體積收縮率也較高，使成品后端產生明顯凹痕，影響集光、傳光與出光的效果。為解決這些難題，臺科大精密制造實驗室運用Moldex3D模流分析軟件，評估開發模內階段式射壓成型制程，是否能夠獲得較優化的產品。
展開 天文光學系統分析
施密特-卡塞格林望遠鏡
為了展示VirtualLab Fusion在天文光學領域的潛力，本次我們重點介紹了以下兩個案例：第一個是著名的施密特-卡塞格林望遠鏡的完整模型，包括對施密特板效應的討論。在第二個案例中，我們根據L.Clermont等人的工作“用于自適應光學系統的激光引導星設計”，模擬了激光導星的不同無焦系統。
為了分析此類系統的性能，快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion為光學工程師提供了多種工具，從基于光線追跡的快速系統可視化到光的全電磁物理光學傳播，包括衍射現象。
對天文現象的系統觀測是最古老的光學形式之一。隨著時間的推移，越來越先進的望遠鏡和其他相關光學設備已經被開發出來，讓科學家們能夠更深入地了解我們的星系和宇宙。
利用快速物理光學軟件VirtualLab Fusion，我們演示了用于生成激光引導星的無焦系統的分析，并進一步優化了系統以控制人造恒星的大小。
展開 VirtualLab Fusion：天文光學系統分析
對天文現象的系統觀測是最古老的光學形式之一。隨著時間的推移，越來越先進的望遠鏡和其他相關光學設備已經被開發出來，讓科學家們能夠更深入地了解我們的星系和宇宙。
為了分析此類系統的性能，快速物理光學建模和設計軟件VirtualLab Fusion為光學工程師提供了多種工具，從基于光線追跡的快速系統可視化到光的全電磁物理光學傳播，包括衍射現象。
為了展示VirtualLab Fusion在天文光學領域的潛力，本次我們重點介紹了以下兩個案例：第一個是著名的施密特-卡塞格林望遠鏡的完整模型，包括對施密特板效應的討論。在第二個案例中，我們根據L.Clermont等人的工作“用于自適應光學系統的激光引導星設計”，模擬了激光導星的不同無焦系統。
施密特-卡塞格林望遠鏡
該案例展示了使用VirtualLab Fusion對Schmidt-Cassegrain望遠鏡系統的模擬。同時還研究了樣品系統中的像差效應。
激光導星的無焦系統
利用快速物理光學軟件VirtualLab Fusion，我們演示了用于生成激光引導星的無焦系統的分析，并進一步優化了系統以控制人造恒星的大小。
展開 [OCAD]光學系統熱環境分析
光學系統是由各種不同光學材料制作的光學元件組成的，同時還必須由各種不同金屬材料制作的結構零件支撐起來的一個完整的光學部件才是一個完整的光學系統。正因為如此，由于各種材料在不同環境溫度和大氣壓力下的熱效應會使光學系統結構參數發生變化，這就是光學系統的熱效應。光學系統受環境熱效應的影響必然會影響系統的成像質量。為了保持光學系統成像質量的穩定，利用構成光學系統的各光學材料和金屬材料的不同熱效應影響平衡光學系統結構參數的關系維持系統成像質量的最佳效果，這就需要對光學系統的熱環境進行分析以求獲得一個滿意的結果，這就是光學系統熱分析，分析光學系統熱環境影響求得系統成像質量穩定，這就是光學系統熱環境分析的目的。
求得光學系統熱平衡，一般有以下途徑，一是適當選擇光學系統光學材料的熱效應影響，也就是利用光學材料的熱效應包括材料的熱環境對材料折射率的影響和零件中心厚度的影響，相互匹配求得系統成像質量的穩定；二是綜合考慮光學材料和金屬材料的熱環境影響平衡系統成像質量的穩定；三是精心設計光學系統的機械結構，采取復合套筒結構控制光學系統表面間隔變化求得系統成像質量穩定。所謂復合套筒結構就是利用不同膨脹系數的金屬材料構成雙筒式結構代替簡單的隔圈結構，可以任意獲得光學間隔的熱變化量。
圖1.系統熱平衡綜合計算
為了適應以上熱平衡效果，在OCAD程序主界面的“編輯”菜單內選取“光學系統熱環境分析”后會彈出如圖1光學系統熱環境分析窗體界面。在界面的表格上方給出了“環境溫度”和“大氣環境特性”的選擇。其中大氣環境特性的選擇還有“大氣壓力”和“海拔高度”兩種方式，其實不同海拔高度也就體現了對應大氣壓力，由于不同光學產品面對的要求不同，此兩種選擇方式只是為了適應不同的要求模式而定，程序還可以把海拔高度換算成對應大氣壓力。
展開 