衍射光學元件建模的案例
衍射光學元件設計
衍射元件在不斷發展的圖案生成領域扮演著重要的角色，其設計需要特定的技術，而這些技術與其他類型的元件所采用的技術大不相同。
在VirtualLab中可以找到用于衍射元件設計和優化的特定技術(如迭代傅里葉變換算法或IFTA)，可通過一個會話編輯器來完成，引導用戶在不太了解該方法的條件下完成設計過程。過程中包含了對設計約束的自動檢查。
用于生成2D光標的衍射光束分束器設計
VirtualLab中的迭代傅里葉變換算法（IFTA）可以高效和靈活地設計定制化光束分束器。
生成LightTrans圖標的衍射擴散器設計
設計了兩個具有連續或離散相位分布的衍射擴散器，以生成LightTrans商標。并對其性能進行了研究。
展開 衍射光學元件的產生及其結構數據的輸出
本案例計算從傳輸中得到的衍射光學元件的高度分布和結構數據的產生
關鍵詞：衍射光學，衍射光學元件，結構數據，GDSII，ASCII，位圖
所需工具箱：Diffractive Optics Toolbox Basic；Tutorial在試用版本中不可用。聯系LightTrans或者當地經銷商可申請一段全版本的試用。
相關Tutorials：DO.1; DO.2; DO.3; DO.4; DO.5; DO.7; LBS.1; LBS.2
建模任務
照射光束強度 衍射擴散器 產生的光圖樣強度
建模任務
2 擴散器參數：
—相位層：4
—像素尺寸：830*830nm
—口徑：1*1mm
—周期：664,83*664,83um
2 結構數據輸出為二進制格式
2 需要的高度分布計算
2 蝕刻掩模分解
2 蝕刻掩模輸出為位圖和GDSII文件
打開光學擴散器系統
2 上載文件
DO.008_Generation_of_DOE_Fabrication_Data_01.lpd.
2 文件在VL_Samples文件夾中
光學擴散器系統
2 點擊Go!按鈕開始模擬擴散器系統.
模擬結果
2 擴散器系統產生的光圖樣強度分布
傳輸器提取
2 雙擊光路徑圖中的Stored Transmission打開編輯對話框
傳輸器(transmission)提取
2 點擊Show按鈕顯示光路中的transmission.
展開 衍射光學元件光束整形、分束和擴散
衍射光學元件光整形
光學軟件VirtualLab可以用來設計和模擬用于激光光束整形的衍射光學元件。衍射光學工具箱使用強大的迭代傅里葉變換算法（IFTA）和參數優化可以用來優化：
? 衍射光學元件
? 衍射光束分束器
? 衍射擴散器
? 衍射和折射光束整形器
? 計算全息（CGH）
? 相位板
? 全息圖
被紅色和綠色激光照射的衍射線擴散器和環擴散器
衍射光學元件可以用包括聚焦透鏡，準直透鏡，光束擴展器和傅立葉透鏡來建模。光學模擬包括：
? 衍射
? 干涉
? 偏振
? 時間和空間相干度
? 強度
? 相位
? 像差
衍射光學元件可以用于各種光學系統來操縱激光，經典的應用包括：
? 材料處理
? 信息顯示
? 測量系統
? 自由空間通訊
? 汽車行業
? 軍事
? 光譜學
衍射光分束器產生的光斑 (由POG, Gera加工)
功能
衍射光學元件在您的激光系統中將會有以下功能：
? 控制衍射和干涉效應
? 客戶自定義激光光束分束后的每束光的功率
? 設計已確定特性的散射板
? 激光光束強度整形
? 使激光系統緊湊
? 產生任意的2D強度分布
? 使用IFTA快速優化成百上千個參數
一個衍射光分束器元件的一個周期的二元高度輪廓
衍射光分束器
衍射光束分束器可以將一束激光分成自定義數目的光束，每束光可以有自定義的功率和角度。光分束器一般和準直透鏡，聚焦透鏡，擴束器以及傅里葉透鏡一起使用。目標平面光束的尺寸一般由透鏡系統控制，而光束的位置和功率由衍射光束分束器控制。
展開 利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用ZPL計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
利用 ZPL 計算衍射光學元件（DOE）的表面輪廓
介紹
本文ZPL宏可用于計算旋轉對稱 Kinoform 透鏡表面（OpticStudio 中為 Binary2 面型）的相位（phase）以及矢高（Sag）。使用者需在運行宏前輸入半徑（Radius）每隔多長時間重復計算一次，之后宏會計算出每個半徑值對應的矢高并給出相應的衍射區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）。除此以外，該宏還會計算出每個區域的輪廓頻率（Profile Frequency，單位為waves/mm）作為生產難易的評估參數。
表面矢高的一般形式如下：
其中 C=1/R，R為半徑；K為圓錐系數；ρ 為徑向坐標；A2,4,6,8…為非球面系數。λ 為波長；N為透鏡折射率；C2,4,6,8…為相位系數。
步長（Step Height）計算公式如下：
衍射光學元件（DOE）表面輪廓如下，單位為弧度:
其中 R 為歸一化半徑。
典型的衍射光學元件輪廓如下：
輸入
輸入表面編號以及迭代半徑間隔就可以計算出表面矢高。如下圖所示：
輸出
宏會輸出區域編號（Zone number）、步長（Step Size）、每個區域所在的位置半徑（Zone Radius）、每個區域內/外半徑矢高（Sag with inner/outer radius）以及輪廓頻率（Profile Frequency）。
展開 
Ansys Zemax | 設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
在這篇文章中，我們簡要介紹了使用 OpticStudio 設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）的過程。我們討論了相位面和局部光柵的概念。附件中還提供了一些有用的DLLs，以支持特殊的 DOE 或 metalens 設計方法。（聯系我們獲取文章附件）
本文討論了衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）的設計過程。主要目的是為剛接觸這個課題的設計者提供一個起點，看看 OpticStudio 有哪些方法可使用。
對包括 DOE/metalens 在內的系統進行模擬和設計總是很棘手，沒有通用的方法來處理所有情況。設計師需要根據具體情況決定其設計策略。許多情況下設計過程中需要兩種不同的光學理論/算法來分別處理光束在自由空間和微觀結構中的傳播[1-3]，而也有一些設計單純只使用光線追跡來實現。[4]
在這篇文章中，我們首先簡要介紹了一些可能的設計思路。有關自由空間和 DOE/metalens 中的相位面和傳播方法概念的更多細節將在后面討論。在最后一節，介紹了為特殊相位面設計定制的一些有用的 DLLs。
1. 設計思路
在這一節中，我們簡要地討論了一些經典的設計思路。
1.1 相位 -> 微結構 -> 實驗驗證
在這一過程中，用戶首先將 DOE/metalens 等效為其對應的相位面來在 OpticStudio 中用光線追跡的方法進行設計。然后根據得到的相位分布來設計微結構。圖1顯示了該過程的流程圖。該圖不包括設計的細節，例如，微結構可以是傳統閃耀光柵或現代超透鏡。根據微結構的類型，所需的設計和制造方法可能非常不同。
參考文獻[5]顯示了一個從給定的相位分布生成閃耀光柵的例子。它還討論了采用單點金剛石車削機的制造方式。
展開 Ansys Zemax | 如何使用 Binary2 面型設計衍射光學元件
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概述
這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中建立衍射光學表面以及如何使用 Binary2（二元面2）模擬衍射光學元件。本文使用的示例文件請聯系工作人員下載。
Binary2 面型
Zemax LLC 感謝 Optics1 公司的 Robert E.Fischer 先生授權使用其著作《Optical System Design》中的圖表。
在 OpticStudio 中，許多表面除了可以定義折射光焦度以外，還可以定義衍射光焦度。衍射光焦度與材料折射率和表面矢高無關，但可以改變光的相位。有關建立衍射光學表面的詳細信息，見文章“OpticStudio 建模衍射光學表面”。
Binary2 中的衍射光焦度會在光學表面的截面上引入連續的相位變化：
其中系數 Ai 的單位為弧度。
由于相位變化在表面的截面上是連續的，因此 Binary2 面型模擬的是一個理想的二元衍射元件，其二元面的臺階尺寸趨近于無窮小或小于光的波長。
通常來講，Binary2 面型模擬衍射光學元件的環形衍射區 ( Diffraction Zones) 的尺寸與該區域到表面頂點的徑向距離有關，如下圖所示。OpticStudio 可以自動計算每個環形衍射區的徑向坐標使相鄰區域的相位差為 2π。
Binary2 面型在固定徑向坐標處所引入的附加相位與波長無關。與波長相關的光程由下式給出：
下圖布局圖所示為 Binary2 的色差：
Binary2 消色差單透鏡
Binary2 面型經常用來矯正色差。在一個簡單的單透鏡中，長波長光的焦距相比短波長的光更長，如下圖（a）。
展開 Ansys Zemax | 如何在OpticStudio中設計衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）
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本文討論了衍射光學元件（DOE）和超透鏡（metalens）的設計過程。主要目的是為剛接觸這個課題的設計者提供一個起點，看看OpticStudio有哪些方法可使用。
對包括DOE/metalens在內的系統進行模擬和設計總是很棘手，沒有通用的方法來處理所有情況。設計師需要根據具體情況決定其設計策略。許多情況下設計過程中需要兩種不同的光學理論/算法來分別處理光束在自由空間和微觀結構中的傳播，而也有一些設計單純只使用光線追跡來實現。
在這篇文章中，我們首先簡要介紹了一些可能的設計思路。有關自由空間和DOE/metalens中的相位面和傳播方法概念的更多細節將在后面討論。在最后一節，介紹了為特殊相位面設計定制的一些有用的DLLs。
1. 設計思路
在這一節中，我們簡要地討論了一些經典的設計思路。
1.1 相位 -> 微結構 -> 實驗驗證
在這一過程中，用戶首先將DOE/metalens等效為其對應的相位面來在OpticStudio中用光線追跡的方法進行設計。然后根據得到的相位分布來設計微結構。圖1顯示了該過程的流程圖。該圖不包括設計的細節，例如，微結構可以是傳統閃耀光柵或現代超透鏡。根據微結構的類型，所需的設計和制造方法可能非常不同。
參考文獻[5]顯示了一個從給定的相位分布生成閃耀光柵的例子。它還討論了采用單點金剛石車削機的制造方式。圖1所示的例子可以在附件 " phase profile example.zar "中找到。另外，參考文獻[3]顯示了如何使用Lumerical FDTD軟件為給定的相位分布設計metalens。
這種方法的缺點是，設計者可能無法檢查整個系統的性能。例如，沒有辦法檢查考慮所有衍射階數的真實點擴散函數（PSF）。
展開 高麗大學研究團隊實現全球最高效率的AR·VR顯示用衍射光學元件
CINNO Research產業資訊，高麗大學研究團隊成功實現了具有全球最高效率、用于增強現實（AR）·虛擬現實（VR）顯示用的衍射光學元件。
根據韓媒Newsis報道，該研究成果于8月13日在國際權威學術期刊《Advanced Materials（先進材料）》上發表，影響因子為27.4。
來自高麗大學融合能源工程系的李承宇教授和化學與生物醫學工程系的方俊河教授領導的研究團隊，通過采用AR/VR顯示器中的傅里葉光學表面（Optical Fourier Surface, OFS）技術，實現了光的高衍射效率。
增強現實和虛擬現實（AR/VR）顯示具有廣泛的應用前景，不僅限于建筑、教育、游戲和國防領域，還深入滲透到我們的日常生活中。
傅里葉光學表面在可見光譜范圍內具有理論上的最大衍射效率，它是一種理想的正弦衍射光學元件，能夠最大限度地減少光損耗。然而，由于其在可見光波段的高吸收特性和低光學效率，傳統上難以直接應用于光學器件。高麗大學研究團隊率先突破了這些限制，率先開發出在整個可見光范圍內實現了理論上的最大衍射效率、實現光學特性改善的光學器件。（來源：高麗大學）
研究團隊所使用的傅里葉光學表面是該技術的核心。這種元件具有完美的正弦表面，能夠有效減少光學損耗。團隊還開發了一種創新技術，能夠在高折射率且對可見光透明的材料中快速形成OFS，從而在全球范圍內首次解決了現有OFS器件高光吸收和低衍射效率的難題。
采用研究團隊所開發的此項技術，OFS設備在運行時能夠將光損耗降至最低，并在整個可見光范圍內以最高的衍射效率運行。此外，通過引入可打印光學系統和納米壓印技術來制造傅里葉光學表面，研究團隊還實現了傳統方法難以企及的高工程良率。
為實現創新型光學元件應用，大量生產的傅里葉光學表面。
展開 [VirtualLab論文] 鋁合金Al6061中缺陷對金剛石車削光學元件衍射效應的影響
[圖片]
GLAD中二元光學元件建模
以往人們多用計算全息法實現環形分布，但衍射效率低，難于推廣。近年來人們開始研究二元光學元件(BOE)在光束整形方面的作用。二元光學元件是在計算機制全息圖和相息圖研究發展的基礎上，利用計算機設計和微電子加工技術研制成的一種高效率的新型光學元件。由于它能靈活控制波前，因此在光束整形方面有著廣泛的應用前景。
二元光學的優點——高衍射效率；獨特的色散性能；更多的設計自由度；寬廣的材料選擇；獨特的光學功能。
圖1表面進行劃分從而形成一個二元光學元件
二元光學器件分為主階次和帶有幾個次階次的連續界面。在二元光學中，每個主階次上的次階次數目通常設置為2、4、8等。GLAD中產生二元光學元件命令如下所示：
binary/lens/surface kbeam xrad yrad level nlevels
int2phase/two kbeam1 kbeam2 [2.*pi*(rindex-1)/lambda]
binary/lens/phasescreen ibeams rindex xrad yrad level nlevels
binary/lens/residual ibeams rindex xrad yrad level nlevels
binary/surface kbeam level nlevels
這些命令執行的是產生二元光學的光柵和透鏡，其二元光學表面可以由binary/surface 命令產生，并直接或者間接依靠 int2phase、int2waves、sfocus起著相位屏的作用。二元光學表面可以圖示為plot的強度項。
binary/surface 命令能夠將任意分布的光場轉化為二元光學器件的面形。
展開 GLAD中二元光學元件建模
二元光學的優點——高衍射效率；獨特的色散性能；更多的設計自由度；寬廣的材料選擇；獨特的光學功能。
通常激光光強分布呈高斯型，而在許多實際應用中，需要將光強分布加以轉換，即光束整形，如呈平頂狀和環狀等。以往人們多用計算全息法實現環形分布，但衍射效率低，難于推廣。近年來人們開始研究二元光學元件(BOE)在光束整形方面的作用。二元光學元件是在計算機制全息圖和相息圖研究發展的基礎上，利用計算機設計和微電子加工技術研制成的一種高效率的新型光學元件。由于它能靈活控制波前，因此在光束整形方面有著廣泛的應用前景。
前言
binary/surface 命令能夠將任意分布的光場轉化為二元光學器件的面形。
這些命令執行的是產生二元光學的光柵和透鏡，其二元光學表面可以由binary/surface 命令產生，并直接或者間接依靠 int2phase、int2waves、sfocus起著相位屏的作用。二元光學表面可以圖示為plot的強度項。
binary/surface kbeam level nlevels
binary/lens/residual ibeams rindex xrad yrad level nlevels
binary/lens/phasescreen ibeams rindex xrad yrad level nlevels
int2phase/two kbeam1 kbeam2 [2.
展開 
GLAD中二元光學元件建模
以往人們多用計算全息法實現環形分布，但衍射效率低，難于推廣。近年來人們開始研究二元光學元件(BOE)在光束整形方面的作用。二元光學元件是在計算機制全息圖和相息圖研究發展的基礎上，利用計算機設計和微電子加工技術研制成的一種高效率的新型光學元件。由于它能靈活控制波前，因此在光束整形方面有著廣泛的應用前景。
二元光學的優點——高衍射效率；獨特的色散性能；更多的設計自由度；寬廣的材料選擇；獨特的光學功能。
圖1表面進行劃分從而形成一個二元光學元件
二元光學器件分為主階次和帶有幾個次階次的連續界面。在二元光學中，每個主階次上的次階次數目通常設置為2、4、8等。GLAD中產生二元光學元件命令如下所示：
binary/lens/surface kbeam xrad yrad level nlevels
int2phase/two kbeam1 kbeam2 [2.*pi*(rindex-1)/lambda]
binary/lens/phasescreen ibeams rindex xrad yrad level nlevels
binary/lens/residual ibeams rindex xrad yrad level nlevels
binary/surface kbeam level nlevels
這些命令執行的是產生二元光學的光柵和透鏡，其二元光學表面可以由binary/surface 命令產生，并直接或者間接依靠 int2phase、int2waves、sfocus起著相位屏的作用。二元光學表面可以圖示為plot的強度項。
binary/surface 命令能夠將任意分布的光場轉化為二元光學器件的面形。
展開 衍射透鏡元件
如今，衍射透鏡在現代光學的各種應用中得到廣泛的使用。微結構表面被用來取代笨重的光學元件，與傳統鏡頭相比，得益于尺寸和重量的減小。在快速物理光學軟件VirtualLab Fusion中，這些結構既可以以理想化的形式建模，具有預定義的階次和效率，也可以更現實地建模，包括對實際微觀結構表面的精確分析。本文介紹了VirtualLab Fusion的衍射透鏡組件、可用的選項和應用的建模方法。
實衍射透鏡的參數設置
4. 理想光柵函數是由衍射階數、各階次衍射和衍射透鏡的波前相位響應決定的。它的工作不提供關于透鏡(理想衍射透鏡)的實際形狀的信息。
更多的信息：
Local Linear Grating Approximation (LLGA) Idealized Grating Functions
3. 用理想光柵函數建模了LPW與局部線性光柵的相互作用。
2.
每個LPW看到的曲面部分被認為是一個線性光柵(局部)。
1.
曲面上的輸入場被看作是局部平面波(LPWs)的組成。
采用帶理想光柵函數的局部線性光柵近似法（LLGA）計算衍射透鏡的理想曲面。具體步驟如下:
展開 光學系統衍射效應分析棘手？OAS 軟件菲涅爾衍射來解惑
菲涅爾衍射案例分析
簡介
菲涅爾衍射作為光學領域中一種關鍵的衍射現象，其核心特征在于考慮光波的波前曲率，并用菲涅耳積分對衍射圖樣進行精準描述。與夫瑯禾費衍射相比，菲涅爾衍射主要展現光通過小孔或障礙物后，在近場（即距離衍射屏較近的區域）形成的獨特衍射圖樣。本案例使用 OAS 光學軟件，對菲涅爾衍射現象展開細致模擬與分析，旨在為相關領域的研究和實際應用提供有力的技術支撐與理論參考。
案例設置與操作
光源參數配置
為精準模擬菲涅爾衍射現象，本案例構建了特定的光學系統。系統中設置了一個簡易光束光源，其半孔徑為 1mm，波長設定為 0.6283μm。該波長處于可見光波段，在光學實驗和實際應用中具有典型性。同時，將光源與探測器之間的距離設定為 1mm，這一距離配置符合菲涅爾衍射近場研究的條件，能夠有效捕捉近場范圍內衍射圖樣的特征。
光源與探測系統建模
OAS 光學軟件擁有強大的建模能力，可實現對各類光學系統的精確構建。在本案例中，軟件成功完成了簡易光束光源的參數化建模，準確設置了光源的半孔徑和波長參數，確保光源的特性與設計要求完全吻合。對于探測器，軟件通過內置的光學探測模塊進行配置，精準設定了光源與探測器之間的距離參數，為菲涅爾衍射圖樣的探測搭建了穩定的模擬環境，保障了后續數據采集的準確性。
波前追跡與衍射模擬
在本案例中，軟件對光束光源發出的光波進行了全面且精確的波前追跡，詳細計算了光波在傳播過程中的波前曲率變化，以及通過傳播到達探測器過程中的相位和振幅演變。基于菲涅耳積分原理，軟件對光波在探測器處的疊加效果進行計算，從而精準模擬出菲涅爾衍射條紋，為后續的分析提供了清晰、直觀的可視化結果。
展開 衍射光學：超短激光脈沖如何影響光束整形光學
作者：ISRAEL GROSSINGER, SHLOMIT KATZ, NATAN KAPLAN, and ALEX SKLIAR
光學仿真工具可以全面剖析超短激光脈沖如何影響衍射光學元件的光束整形特性和能力。
隨著超短脈沖（USP）激光器（也稱為超快激光器）在工業應用中變得越來越普遍，特別是當納秒脈沖USP激光器被更快的飛秒器件取代，使用衍射光學元件（DOE）的光束整形應用變得更具挑戰性。
VirtualLab是由LightTrans International(Jena, Germany; www.lighttrans.com)開發的物理光學仿真工具，可以用于大多數DOE元件（包括分束器和光束整形器）的仿真，利用這款軟件，我們在Holo / Or的團隊研究了USP激光器對DOE功能的影響。研究發現盡管對于大多數光束整形器來說，DOE的影響可以忽略，但對于諸如基于光柵的DOE之類的大角度分束器，可以看到顯著的且不期望的色散效果。
圖1. 對于m = 1且輸入光束直徑為4 mm的渦旋透鏡元件（a），對輸入800 nm高斯脈沖得到的結果（b）和輸入100 fs USP激光脈沖得到的結果（c）進行比較，沒有明顯差異。
DOE基礎知識
對于許多應用而言，DOE可以用于產生一些傳統的反射或折射光學元件無法達到的獨特光學功能，在系統配置方面更加靈活。與折射解決手段相比，DOE具有很多優勢，包括尺寸小、單個元件具有多種功能、角度精度高、厚度小和相比于折射解法時間色散較小等。
操作原理非常簡單：對于準直入射光束，輸出光束以預先設計的分離角度和強度出射DOE，通過光束整形器，激光束被聚焦成設計好的尺寸和形狀。
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