光束聚焦仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-05
光束聚焦仿真的實例教程
光學(xué)的發(fā)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(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。最后，通過與常見的線偏振光和圓偏振光對比，對矢量偏振光束聚焦場分布進行了分析和總結(jié)，有助于學(xué)生對偏振影響的整體理解和掌握。
1 矢量偏振光束
偏振光束根據(jù)空間分布可分為均勻偏振光和非均勻偏振光[6,7]，線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光都是常見的均勻偏振光。非均勻偏振光在不同空間位置的偏振態(tài)不同，矢量光束屬于非均勻偏振光。振幅和偏振態(tài)在光束橫截面上以光軸為對稱軸，分布沿徑向方向有一定夾角φ0的矢量光束，稱為軸對稱矢量光束,如圖1(a)所示。
展開 對于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為溫度和輸入功率的函數(shù)。[W. Koechner, Appl. Opt. 9,2548–2553(1970)]。這個使用案例顯示了熱透鏡焦距的變化，以及當(dāng)輸入功率改變時聚焦光束直徑的變化。這個使用案例發(fā)表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am. A35]。
建立任務(wù)
結(jié)果
對于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表示為溫度和輸入功率的函數(shù)[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當(dāng)輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發(fā)表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am. A 35]。
建模任務(wù)
結(jié)果
對于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表示為溫度和輸入功率的函數(shù)[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當(dāng)輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發(fā)表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am. A 35]。
建模任務(wù)
結(jié)果
當(dāng)入射光束的光強呈現(xiàn)空間上的非均勻分布時，由此引入的非線性折射率也是非均勻的，這將使不同空間位置的光所經(jīng)歷的光程長度不同，即介質(zhì)對入射光束的作用等價于光學(xué)透鏡，從而導(dǎo)致光束的自行聚焦效果。
特別地，當(dāng)入射光束強度沿垂直光軸的界面內(nèi)呈高斯形時，且強度足夠產(chǎn)生非線性效應(yīng)的情況下，此時介質(zhì)折射率的橫向分布也是鐘形的，從而對入射光束產(chǎn)生會聚作用，這就是高斯光束的自聚焦效應(yīng)。
系統(tǒng)描述
本例重點展示了beer以及sfocus兩個命令的使用，給出了經(jīng)過吸收之后高斯光束的強度分布輪廓圖，光束的吸收遵循比爾定律并且可能會出現(xiàn)自聚焦現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，自聚焦效應(yīng)會導(dǎo)致穿透剖面變窄，本例對比了以下四種情況：
（1）理想的高斯光束聚焦
（2）經(jīng)過吸收之后的理想高斯光束聚焦
（3）經(jīng)過吸收和自聚焦效應(yīng)之后的理想高斯光束聚焦
（4）經(jīng)過吸收和自聚焦效應(yīng)之后的帶有像差的高斯光束聚焦
圖1 模擬示意圖
模擬結(jié)果
圖2 初始理想高斯光束光強分布
圖3 理想高斯光束的成像切片
圖4 介質(zhì)中存在吸收時理想高斯光束的成像切片
圖5 介質(zhì)中存在吸收同時考慮自聚焦效應(yīng)時理想高斯光束的成像切片
圖6 介質(zhì)中存在吸收同時考慮自聚焦效應(yīng)時帶像差高斯光束的成像切片
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光束聚焦仿真的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
光束聚焦仿真的最新內(nèi)容
概述
當(dāng)一束強激光入射到介質(zhì)中后，由于強光場與介質(zhì)的非線性作用，使得介質(zhì)的線性折射率上會疊加與入射光強相關(guān)的非線性折射率。當(dāng)入射光束的光強呈現(xiàn)空間上的非均勻分布時，由此引入的非線性折射率也是非均勻的，這將使不同空間位置的光所經(jīng)歷的光程長度不同，即介質(zhì)對入射光束的作用等價于光學(xué)透鏡，從而導(dǎo)致光束的自行聚焦效果。
特別地，當(dāng)入射光束強度沿垂直光軸的界面內(nèi)呈高斯形時，且強度足夠產(chǎn)生非線性效應(yīng)的情況下
在人工智能、低空經(jīng)濟與新一代信息技術(shù)加速融合的背景下，工程創(chuàng)新正不斷向更前沿、更跨界的方向演進。圍繞這一趨勢，Ansys在近期發(fā)布的“應(yīng)用類系列網(wǎng)絡(luò)研討會”中，特別策劃推出9場新興行業(yè)專題內(nèi)容，聚焦eVTOL、AI驅(qū)動的高速電光仿真、硅光芯片、optiSLang AI+優(yōu)化、機器人、AI/ML驅(qū)動的天線與微波及互連器件設(shè)計，以及AI驅(qū)動的個體化心臟仿真等熱點方向，系統(tǒng)呈現(xiàn)仿真技術(shù)如何賦能前沿應(yīng)用場景
Ansys自動駕駛汽車仿真解決方案基于從傳感器到系統(tǒng)級的完整工具鏈，通過軟件在環(huán)（SiL）與硬件在環(huán)（HiL）閉環(huán)測試，結(jié)合高保真合成數(shù)據(jù)與開放架構(gòu)生態(tài)，大幅提升開發(fā)效率并降低測試成本。在近期發(fā)布的"Ansys 應(yīng)用類系列網(wǎng)絡(luò)研討會全面上線"中，涵蓋4場AVxcelerate專題內(nèi)容，系統(tǒng)解讀自動駕駛仿真的核心能力與最新進展。
本次系列網(wǎng)絡(luò)研討會將聚焦Ansys 2026 R1 AVxcelerate
建模任務(wù)
熱透鏡效應(yīng)描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質(zhì)折射率的不均勻性。對于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表示為溫度和輸入功率的函數(shù)[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當(dāng)輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發(fā)表在
摘要
熱透鏡效應(yīng)描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質(zhì)折射率的不均勻性。對于具有特定參數(shù)的高斯光束，折射率在數(shù)學(xué)上表示為溫度和輸入功率的函數(shù)[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當(dāng)輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發(fā)表在[H. Zhong
圖1.模擬示意圖
模擬結(jié)果
圖2.初始理想高斯光束光強分布
圖3.理想高斯光束的成像切片
圖4 介質(zhì)中存在吸收時理想高斯光束的成像切片
了解高NA物鏡的焦點附近的矢量電場分布對顯微鏡、光鑷、激光加工等應(yīng)用是非常重要的。高NA物鏡通常被認(rèn)為是消球差透鏡。 通過VirtualLab Fusion中消球差透鏡，我們展示了如線性、圓形和徑向偏振光束等各種偏振光束的聚焦。 我們研究了關(guān)于不同形狀的孔徑的聚焦場，例如圓形和環(huán)形孔徑。
摘要
摘要
了解高NA物鏡的焦點附近的矢量電場分布對顯微鏡、光鑷、激光加工等應(yīng)用是非常重要的。高NA物鏡通常被認(rèn)為是消球差透鏡。 通過VirtualLab Fusion中消球差透鏡，我們展示了如線性、圓形和徑向偏振光束等各種偏振光束的聚焦。 我們研究了關(guān)于不同形狀的孔徑的聚焦場，例如圓形和環(huán)形孔徑。
建模任務(wù)
圓形與環(huán)形孔徑
激光二極管準(zhǔn)直鏡案例分析
簡介
激光二極管因發(fā)射面物理尺寸限制，輸出光束發(fā)散角較大，嚴(yán)重制約其在激光測距、光通信等需遠距離傳輸或精確聚焦場景的應(yīng)用。本項目旨在通過 OAS 光學(xué)軟件構(gòu)建仿真模型，設(shè)計一款適配 0.635μm 波長的準(zhǔn)直鏡系統(tǒng)，將發(fā)散光束轉(zhuǎn)換為平行光束，核心指標(biāo)為降低遠場發(fā)散角以提升光束準(zhǔn)直性，為后續(xù)工業(yè)應(yīng)用提供光學(xué)設(shè)計依據(jù)。
案例設(shè)置與操作
2025 年第十三屆中國航空推進技術(shù)大會于近日開幕，大會匯聚了國內(nèi)外頂尖科研機構(gòu)、整機制造商、核心零部件企業(yè)及行業(yè)專家，共同探討航空推進技術(shù)的前沿趨勢與未來方向。積鼎科技攜航空發(fā)動機流體仿真解決方案精彩亮相，憑借在霧化燃燒、壓氣機多工況模擬、流固熱耦合、機械潤滑等核心領(lǐng)域的技術(shù)突破與實踐成果，吸引了眾多航發(fā)領(lǐng)域核心用戶的關(guān)注。
航空發(fā)動機被譽為 “工業(yè)皇冠上的明珠”，
