光散射仿真的案例
基于ASAP的散射光雙光束干涉仿真
基于ASAP的散射光雙光束干涉仿真
光的干涉是物理光學中最重要的現象之一。本文分析了MIT實驗視頻中的光學原理，提煉了其物理模型。視頻利用邁克爾遜干涉儀進行分振幅產生兩相干光，在接收屏上觀察到等傾圓紋。本文記錄了利用強大的光學設計軟件ASAP對該物理模型進行仿真的過程。
光學原理: 邁克耳孫干涉儀是應用光的干涉原理，測量長度或長度變化的精密的光學儀器，其光路圖如圖。
運行ASAP模擬結果：
ASAP 已持續在光學領域中發展，由代碼來指示光線如何與系統對象交互作用，來模擬其物理現象。仿真和分析的結果非常明了，能夠比現有其它軟件處理更多的光學系統仿真。 ASAP 在工業界廣泛應用于航天工程、生物光學產業、顯示器、反射器、光學測量科技、光通訊產業、照明系統、光導管系統等。
因此，對于光電專業的學生來說，用好 ASAP 不僅能讓我們在未來的課程設計中受益，更深層次的講，當我們畢業走進上述的工作崗位后，這種渴望探索的求知精神無疑是一筆隱形財富。于是抱著這樣的態度去做工程，這就成為我們學習和發展的優勢，比如當我們設計一個光學系統后想要模擬產品效果是否達到要求， 我們便可以利用 ASAP 強大的功能做出仿真， 發現其存在的問題，結合所學解決優化，以達到完善產品的目的。而每完成這樣的一次任務也就完成了一次自我升華，是對知識的沉淀，對經驗的累積，對視野的拓展。
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 Jcmsuite應用：光場遇到納米球的散射與吸收
這個教程的例子模擬光散射到襯底上的球面粒子。粒子被S偏振和p偏振的斜射平面波照射。JCMsuite計算近場解。后處理用于計算吸收和衍射截面，并導出場輪廓。
近場強度(偽色，對數尺度)在兩個截面和三角形網格的幾何結構
計算域定義為xy平面上的一個平行四邊形。在第6行中，選擇了將y軸定義為坐標系的旋轉對稱軸。球體由一個(旋轉的)扇形(23-33行)定義，基片由一個(旋轉的)平行四邊形定義。
密度積分后處理可用于計算吸收截面。 通量積分后處理可用于計算散射截面。 (另外，遠場計算/傅里葉變換后處理也可以用于獲得角相關的散射振幅) 在本例中，Export Fields后處理用于可視化目的。
data_analysis文件夾還包含一個腳本，其中幾何、材料、光源和計算參數可以設置，并在其中執行波長掃描，產生波長依賴的吸收和散射截面計算(包括相應的模板文件layout.jcmt、sources.jcmt、materials.jcmt、project.jcmpt)。 請注意，在這種情況下，JCMsuite是在Daemon模式下使用的，它允許同時執行各種波長的波長掃描。 有了適當的硬件和許可證，所有波長響應可以同時計算，允許快速計算整個參數掃描。
襯底頂部納米球基于波長的吸收和散射
展開 Jcmsuite應用：光場遇到納米球的散射與吸收
這個教程的例子模擬光散射到襯底上的球面粒子。粒子被S偏振和p偏振的斜射平面波照射。JCMsuite計算近場解。后處理用于計算吸收和衍射截面，并導出場輪廓。
近場強度(偽色，對數尺度)在兩個截面和三角形網格的幾何結構
計算域定義為xy平面上的一個平行四邊形。在第6行中，選擇了將y軸定義為坐標系的旋轉對稱軸。球體由一個(旋轉的)扇形(23-33行)定義，基片由一個(旋轉的)平行四邊形定義。
密度積分后處理可用于計算吸收截面。通量積分后處理可用于計算散射截面。(另外，遠場計算/傅里葉變換后處理也可以用于獲得角相關的散射振幅) 在本例中，Export Fields后處理用于可視化目的。
data_analysis文件夾還包含一個腳本，其中幾何、材料、光源和計算參數可以設置，并在其中執行波長掃描，產生波長依賴的吸收和散射截面計算(包括相應的模板文件layout.jcmt、sources.jcmt、materials.jcmt、project.jcmpt)。請注意，在這種情況下，JCMsuite是在Daemon模式下使用的，它允許同時執行各種波長的波長掃描。有了適當的硬件和許可證，所有波長響應可以同時計算，允許快速計算整個參數掃描。
襯底頂部納米球基于波長的吸收和散射
展開 
Jcmsuite應用：光場遇到納米球的散射與吸收
這個教程的例子模擬光散射到襯底上的球面粒子。粒子被S偏振和p偏振的斜射平面波照射。JCMsuite計算近場解。后處理用于計算吸收和衍射截面，并導出場輪廓。
近場強度(偽色，對數尺度)在兩個截面和三角形網格的幾何結構
計算域定義為xy平面上的一個平行四邊形。在第6行中，選擇了將y軸定義為坐標系的旋轉對稱軸。球體由一個(旋轉的)扇形(23-33行)定義，基片由一個(旋轉的)平行四邊形定義。
密度積分后處理可用于計算吸收截面。通量積分后處理可用于計算散射截面。(另外，遠場計算/傅里葉變換后處理也可以用于獲得角相關的散射振幅) 在本例中，Export Fields后處理用于可視化目的。
data_analysis文件夾還包含一個腳本，其中幾何、材料、光源和計算參數可以設置，并在其中執行波長掃描，產生波長依賴的吸收和散射截面計算(包括相應的模板文件layout.jcmt、sources.jcmt、materials.jcmt、project.jcmpt)。請注意，在這種情況下，JCMsuite是在Daemon模式下使用的，它允許同時執行各種波長的波長掃描。有了適當的硬件和許可證，所有波長響應可以同時計算，允許快速計算整個參數掃描。
襯底頂部納米球基于波長的吸收和散射
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展開 036 – FDTD納米線的光散射（僅模型文件，免費）
036 – FDTD納米線的光散射（僅模型文件，免費）
基本介紹：
主要內容：本案例通過matlab解析和FDTD模擬分別計算了半徑100 nm的納米線對TM光的散射截面，兩者完全吻合；
基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2020 R2；
計算所需的內存：1 GB；
涉及的內容：2D-FDTD、場監視器、cross-section分析組、matlab編程 等；
繪制了：散射截面隨波長的關系、電場分布；
本案例僅包含模型文件，但有一個文字版的建模過程詳解。此案例不附帶答疑指導。
包含的文件截圖：
詳細描述：
如上圖所示，用TM偏振的平面光照射一根無限長的介質納米線，納米線的半徑為100 nm，折射率為2。本案例用FDTD模擬了400 ~ 800 nm波長范圍內的光散射截面以及電場分布，并將結果與matlab解析計算的散射截面相比較。
計算的內容和結果：
1、散射截面。
展開 037 – COMSOL納米線的光散射（僅模型文件，免費）
在“電磁波，頻域”節點將公式改為散射場，背景波類型改為高斯光束，束流方向改為沿y軸，束流半徑改為1m，這樣我們用一個束流半徑極大的高斯光束來近似成一個平面波
10. 右擊定義→組件耦合→積分，將“幾何實體層”改為邊界，按下圖所示選中標藍的四個邊界
11. 右擊定義→變量，輸入3個變量，分別為：
這三個變量分別代表入射光強、散射功率、散射截面。由于我們這里使用二維建模，所以散射截面的單位不是面積單位，而是長度單位m
12. 在“網格”節點點擊“全部構建”，可以看到自動構建出來的網格。
13. 在“步驟1：波長域”節點將波長單位改為nm，點擊“范圍”圖標，在彈出的對話框中將起始、步長、停止分別填入400、5、800，然后點擊“替換”，這樣波長就被替換為“range(400,5,800)”
14. 最后，點擊“計算”運行計算，稍等片刻
15. 計算完成之后，窗口中會自動畫出電場分布
16. 右擊“結果”，增加一個一維繪圖組，將標簽改為“散射截面”，取消勾選“顯示圖例”
17. 右擊 “散射截面”一維繪圖組，新增“全局”圖，在表達式中輸入“Csca”，單位改成m
18. 點擊繪制，就可以在繪圖窗口中看到散射截面的曲線
19. 用matlab打開“Scattering_of_nanorod.m”，如下圖點擊紅框中的“運行”，即可得到解析計算的散射截面，與COMSOL仿真的曲線完全一致。
展開 13，comsol仿真多級散射
參考論文：《Optically resonant magneto-electric cubic nanoantennas for ultra-directional light scattering 》
下面是論文的結果 VS 我的結果。
參考文獻：《Planar Plasmonic Chiral Nanostructures》
下面是論文結果VS我的結果
本模型展示而已，欲購勿擾。
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 空間光調制器像素處光衍射的仿真
空間光調制器(SLM.0002 v1.1)
應用示例簡述
1. 系統細節
? 光源
— 高斯光束
? 組件
— 反射型空間光調制器組件及后續的2f系統
? 探測器
— 視覺感知的仿真
— 電磁場分布
? 建模/設計
— 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。
2. 系統說明
3. 模擬 & 設計結果
4. 總結
考慮SLM像素間隔來研究空間光調制器的性能。
第1步
將像素間隔引入到一個先前設計的用于光束整形的SLM透射函數。
第2步
分析不同區域填充因子的對性能的影響。
產生的衍射效應對SLM的光學功能以及效率具有重大影響。
應用示例詳細內容
系統參數
1. 該應用實例的內容
2. 設計&仿真任務
由于制造和技術的原因，像素之間存在非功能間隔。這種典型的間隔會產生衍射效應，從而影響SLM的光學性能，并在接下來的工作中對其進行研究。
3. 參數：輸入近乎平行的激光束
4. 參數：SLM像素陣列
5. 參數：SLM像素陣列
應用示例詳細內容
仿真&結果
1. VirtualLab能夠模擬具有間隔的SLM
? 由于可以嵌入組件，VirtualLab可以輕松的實現反射系統(如反射鏡，2f系統等)。
? 內置的SLM模式可以實現從簡單透射函數到包含像素和間隔的陣列的自動轉換。
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，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 31，comsol仿真高斯光經過渦旋板變成渦旋光 ￥1200
comsol仿真高斯光經過渦旋板變成渦旋光，其中渦旋板的建模要動點腦子
comsol模型在下面的付費內容中
VirtualLab運用：仿真一個空間光調制器像素點處光的衍射
光束整形＞衍射光學
任務/系統說明
亮點
?使用空間光調制器（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
結果：3D系統視圖
結果：SLM近場區域
結果：SLM的遠場區域
結果：SLM遠場區域
文件&技術信息
利用RSoft的BPM算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真 ￥15
RSoft是一款非常實用的光波導仿真軟件。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算法對光波導和簡單光波導器件進行仿真計算，從而對光在波導中的傳輸有一定得了解。
一、軟件CAD界面：
下載網站上的壓縮包，解壓縮后運行C:\Program Files\RSoft\bin文件夾中的bcadw32.exe，即出現如下圖所示的CAD界面。此界面是定義波導結構和下一步計算的前提。
二、單根波導的仿真：
在軟件中，點擊左上角的”New Circuit”按鈕，如圖所示。
點擊后彈出基本設置對話框，波導的一些基本特性參數需要在此設定。我們模擬目前光通信系統中應用最為廣泛的掩埋型二氧化硅波導（channel型）。波導橫截面的尺寸結構為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。基本參數的設定如下圖所示（注意，軟件中關于長度的單位均為um）：
設置完畢后點擊”OK”，進入CAD界面。
首先畫一根直波導。點擊”Segment mode” （新建文件時默認就是此模式），如上圖紅圈所示。之后在空白的CAD窗口中某一處單擊鼠標左鍵，在任意另一處再單擊左鍵，即可畫出一條波導，如下圖所示。
到目前為止，畫出的波導是任意的，我們還需要對它進行設置，滿足我們設計的要求。將鼠標移動至波導上（紅色區域上），再單擊鼠標右鍵，會彈出波導的設置菜單。由于我們只需要仿真普通的直波導，所以大部分設置保持默認即可。主要需要調整波導的位置。在RSoft軟件中，波導位置是由首尾兩個坐標確定的，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。
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