軌道角動量光束仿真的案例
產生軌道角動量（OAM）光束
現實表明，具有軌道角動量（OAM）的光束可用于各種應用，從量子光學到光學通訊和顯微鏡。 目前已提出多種產生此種光束的方法，這里，我們在VirtualLab Fusion中演示了如何利用螺旋相位板產生更具有軌道角動量(OAM)的光束。利用可編程界面描述具有自定義參數的螺旋相位板，并結合微結構元件進行建模。
軌道角動量光束(OAM)的產生
我們用不同參數的螺旋相位板演示了攜帶OAM的光束的產生。
如何使用可編程界面及實例(球面)
在本文檔中，我們以簡單的球形表面為例，說明如何使用可編程界面。 了解更多信息可發送信息至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com網址: http://www.infotek.com.cn / http://www.honglun-seminary.com
展開 [NEWSLETTER] 產生軌道角動量（OAM）光束
現實表明，具有軌道角動量（OAM）的光束可用于各種應用，從量子光學到光學通訊和顯微鏡。 目前已提出多種產生此種光束的方法，這里，我們在VirtualLab Fusion中演示了如何利用螺旋相位板產生更具有軌道角動量(OAM)的光束。利用可編程界面描述具有自定義參數的螺旋相位板，并結合微結構元件進行建模。
軌道角動量光束(OAM)的產生
我們用不同參數的螺旋相位板演示了攜帶OAM的光束的產生。
如何使用可編程界面及實例(球面)
在本文檔中，我們以簡單的球形表面為例，說明如何使用可編程界面。
了解更多信息可發送信息至: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
展開 搭載軌道角動量（OAM）光束的產生
眾所周知，軌道角動量(OAM)與光的螺旋相位有關。如今，搭載OAM的光束在量子光學、光通信和生物光子學等許多領域都有應用。根據M. Massari等人的工作，我們用螺旋相位板演示了帶有OAM光束的產生。在VirtualLab Fusion的仿真中，給出了3個不同OAM指數的仿真實例。
建模任務
光路的概念來自M. Massari, et al., Appl. Opt. 54, 4077-4083 (2015)
角向指數L=1，徑向指數P=1
角向指數L=1，徑向指數P=2
角向指數L=1，徑向指數P=3
不同情況對比
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 定制微結構表面
- 如何使用可編程界面工作以及示例（球面）[用例]
? 正確地設置傅里葉變換
- 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
- 如何使用可編程界面工作以及示例（球面）
- 利用偏振光干涉產生空間變化的偏振
展開 [VirtualLab] 搭載軌道角動量（OAM）光束的產生
摘要
眾所周知，軌道角動量(OAM)與光的螺旋相位有關。如今，搭載OAM的光束在量子光學、光通信和生物光子學等許多領域都有應用。根據M. Massari等人的工作，我們用螺旋相位板演示了帶有OAM光束的產生。在VirtualLab Fusion的仿真中，給出了3個不同OAM指數的仿真實例。
建模任務
光路的概念來自M. Massari, et al., Appl. Opt. 54, 4077-4083 (2015)
角向指數L=1，徑向指數P=1
角向指數L=1，徑向指數P=2
角向指數L=1，徑向指數P=3
不同情況對比
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 定制微結構表面
- 如何使用可編程界面工作以及示例（球面）[用例]
? 正確地設置傅里葉變換
- 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
- 如何使用可編程界面工作以及示例（球面）
- 利用偏振光干涉產生空間變化的偏振
展開 
用自由曲面光學元件測量軌道角動量（OAM）
由于具有編碼許多(理論上是無限的)信息狀態的能力，攜帶軌道角動量(OAM)的光束在遠程通訊中十分有用。盡管有這個優勢，解碼信息（即測量OAM）通常是一個挑戰。根據M.P. J. Lavery等人的工作，我們在VirtualLab Fusion中建立了一個光路，用兩個自由曲面光學元件將OAM轉換為線性相位。通過這種裝置，我們將演示有效的OAM測量。
建模任務
自由曲面透鏡參數來自M. P. J. Lavery, et al., Opt. Express 20, 2110-2115 (2012)
建模任務
自由曲面透鏡參數來自M. P. J. Lavery, et al., Opt. Express 20, 2110-2115 (2012)
輸入L=-1的仿真結果
輸入L=0的仿真結果
輸入L=+1的仿真結果
輸入L=+2的仿真結果
輸入L=+3的仿真結果
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 自定義微結構表面
- 如何使用可編程界面以及示例（球面）[用例]
? 正確地設置傅里葉變換
- 傅里葉變換設置 – 實例討論 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
- 搭載軌道角動量（OAM）光束的產生
- 如何使用可編程界面以及示例（球面）
展開 上海交大金賢敏團隊制備出軌道角動量波導光子芯片
而在量子光學與量子信息領域，光子軌道角動量，作為內秉的無限維的自由度，可將其用于分發高維的量子態以及構建高維希爾伯特空間的量子計算機。
大規模地應用軌道角動量超越原理性的驗證迫切地要求發展集成器件將軌道角動量傳輸、產生以及操縱于一體化。之前的工作，不論是利用可控的位相陣列，還是微環共振腔產生軌道角動量，均是將軌道角動量輻射到自由空間中，無法存在于芯片內部。金賢敏團隊通過飛秒激光直寫技術制備了首個波導橫截面為“甜甜圈”型的三維集成的軌道角動量波導光子芯片，使得軌道角動量這一新興自由度在芯片內操控得以在實驗中首次實現。這也將促進未來光子集成芯片上高維量子信息與高維量子計算的實現。
傳統的波導，由于其有效折射率過小而不能分開幾乎簡并的軌道角動量模式。研究組通過三維飛秒激光直寫技術得到的“甜甜圈”波導可以有效地將簡并的軌道角動量模式分開。此“甜甜圈”型波導是由12根相互之間有輕微重疊的波導和高折射率芯所組成的。通過測量從芯片出來的扭曲光與參考光的干涉以及對芯片前后的態作投影測量，實驗驗證了此波導可以高效高保真地傳輸低階軌道角動量模式，特別是傳輸總效率高達60%。對于高階模式，目前加工出來的波導，會讓其轉化為低階模式。同時實驗發現，此波導也可以高保真地傳輸三比特的“qutrit”態，超越了傳統的兩比特的“qubit”態。這暗示著此波導將很有潛力可以用于高維量子態的傳輸與操控。
展開 基于HFSS的軌道角動量天線設計
相關理論介紹
軌道角動量因其模數的無限性與正交性在提升通信容量 方面有著巨大的潛力,對解決頻譜資源不堪重負的現狀有很強的現實意義。
經典電磁理論指出，電磁輻射不僅攜帶線性動量，還有可能攜帶角動量。對光波而言，角動量和線性動量之間的關系可簡單地表示為L =r +p ,其中表示角動量，r表示光子的位置矢量，p =mv 表示線性動量。角動量可分為自旋角動量SAM和軌道角動量OAM兩部分，用S和J分別表示他們，則L可以表示為：
L = S + J
對于線極化光波，有S=0，在考慮傳播方向上的角動量時，如z軸，它與x、y平面上的線性動量有關。p =mv =ε_0 E xB ,E和B分別表示電場和磁場。因此，對于TEM波而言，不論是圓極化波還是線極化波，其電場與磁場均存在于x、y平面內， 線性動量p平行于z軸，因此在傳播方向上不會有角動量產生。這表明，在傳播方向上，如果沒有電場或者磁場的分布則角動量也不會產生。實際情況下，由于有限性的限制，TEM波是不存在的，軸向場總是存在，因此電磁輻射總會伴隨著角動量的傳輸。如圖1所示，渦旋波的坡印廷矢量放向不是沿著z軸直線傳播，而是呈現“螺旋上升”的形式。
圖1渦旋電磁波坡印廷矢量變化示意圖
圖2 不同結構偶極子圓環陣
采用線極化的偶極子進行圓環排布，是得到渦旋波的常用方法，圖2給出了（a）放射狀結構，（b）切線結構和（c）均衡結構的三種排布方式。實驗發現對于相同的陣元個數，實現相同的軌道角動量模式數時，沿一個方向放置的陣列比射線放置和切線放置的陣列所輻射的波束更準直，且有更少的副瓣和更強的輻射強度，并且，用陣列方法產生渦旋電磁波時，各陣元的極化方式必須相同，且只有在與發射陣元相同的極化方向上才能獲得設定模態的渦旋電磁波。
展開 一種新的軌道角動量天線設計
為了獲得更高的頻譜效率，業界在不斷嘗試從電磁波的物理特性入手來實現信息傳輸方式的突破，比如軌道角動量技術。近年來，軌道角動量一直是無線通信領域的研究熱點。
今天就給大家分享一個將軌道角動量與毫米波技術相結合的基于介質諧振器的軌道角動量天線設計，非常具有實用性。這個設計建立了天線的等效模型，推導了其輻射場的理論表達，討論了介質諧振器半徑對渦旋波電磁波模態的影響，通過仿真結果表明，該天線在波段有四個諧振點，能夠分別產生模態的渦旋電磁波。此外，該天線結構緊湊，成本低，增益良好，具有較高的天線效率，產生的各個模態的渦旋電磁波都具有良好的旋轉性，能夠獲得較強的抗干擾能力，為軌道角動量在毫米波頻段的應用提供了一定的現實意義。
天線設計
該天線設計了一種介質諧振器天線，天線結構如圖3所示，圖3(a)是天線的三維結構圖，可以看到該天線是由一個介質諧振器，一條微帶線，一層介質基板和一個接地面構成，圖3(b)是天線俯視圖。
仿真結果分析
天線的S參數能夠準確反映電磁波傳遞過程種的反射情況。如圖7所示是該天線的S參數仿真結果，可以看到，S參數有多次下降，表明這些頻率的波耦合進了諧振器當中，但并不是所有都是OAM模式。在28GHz~36GHz之間，該天線產生了4個諧振點，能夠產生的OAM模態。分別是：在29.6GHz處產生的OAM模態，在30.6GHz處產生的OAM模態，在32.2GHz處產生的OAM模態，在35.1GHz處產生的OAM模態。圖8是該天線電壓駐波比的仿真結果，可以看到在四個諧振點處的VSWR幾乎達到1，在天線的工作頻段28GHz~36GHz之間匹配良好。
展開 微納級3D打印：中國計量大學嚴德賢課題組《Results in Physics》，基于太赫茲波段的負曲率軌道角動量光纖
而在空間維度資源中，基于軌道角動量（Orbital Angular Momentum，OAM）的模分復用技術由于攜帶不同拓樸荷數的相互正交的軌道角動量模式成為擴大通信容量的一種非常有潛力的方案。軌道角動量具有全新的電磁波自由度特性，具有軌道角動量特性的電磁波可以在常用的信息傳輸方式，如波分復用（Wave Division Multiplexing，WDM）、偏振復用（Polarization Multiplexin，PM）、時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）等信息傳輸方式上成倍的提高信息傳輸容量。
近日，中國計量大學嚴德賢課題組提出了基于太赫茲波段的負曲率軌道角動量光纖。該光纖以重慶摩方精密科技有限公司提供的HTL聚合物材料（耐高溫樹脂）為基底，采用兩層傾斜橢圓管的結構設計，通過引入環芯區域在0.4-0.8THz波段成功產生50-52個OAM模式，且在所研究的波段內獲得了高模式純度、低限制損耗和低波導色散等傳輸特性，相關研究成果以“Design of negative curvature fiber carrying multiorbital angular momentum modes forterahertz wave transmission”為題發表在《Results in Physics》。
圖1.3D打印負曲率軌道角動量光纖結構圖
圖1展示了基于摩方精密nanoArch S140打印技術的3D打印光纖樣品圖。光纖整體尺寸為6.57mm，靠近纖芯區域的第二層傾斜橢圓管結構最小尺寸為0.051mm。光纖結構設計完成后，在Comsol Multiphysics有限元仿真軟件中選取光纖結構的任一截面進行仿真研究。
展開 VirtualLab Fusion系列課程 | VirtualLab Fusion光束整形及空間光束傳播仿真
[圖片]
軌道交通設備設計與維護——軌道交通緩沖器模態分析仿真APP
軌道交通是指運營車輛需要在特定軌道上行駛的一類交通工具或運輸系統。根據服務范圍差異，軌道交通一般分成國家鐵路系統、城際軌道交通和城市軌道交通三大類。
軌道交通行業的健康發展，離不開其各部件的良好協同工作。使用仿真APP能夠在研發初期，在虛擬環境中對各部件在不同工況下的性能指標進行直觀展示，從而識別潛在設計缺陷，指導設計優化。
與傳統仿真軟件相比，仿真APP是更加高效、便捷、易用的仿真工具。無論是設計工程師還是試驗測試人員，都無需掌握專業的仿真知識，便能輕松上手使用：只需在瀏覽器中打開仿真APP計算頁面，簡單設置各項參數，即可一鍵在線計算，快速得到仿真結果，從而優化設計方案、提升測試效率，降低研發成本。對于較復雜的仿真結果，還可以在線咨詢仿真APP開發者，獲取專業的仿真結果分析指導。
整理了10款軌道交通設備設計與維護相關仿真APP，供大家體驗：www.yqgqt.org.cn/post/1962529。不符合要求，還可以個性化定制。
下面介紹一款軌道交通緩沖器模態分析仿真APP：
地鐵緩沖器是列車在啟動、剎車以及發生碰撞時，吸收和緩解沖擊力的重要裝置，直接關系到乘客的舒適性和列車的安全性。緩沖器的模態特性，即其固有頻率和振型，決定了它在受到外界激勵時的響應方式。如果緩沖器的固有頻率接近列車運行或外界干擾的頻率，可能會引發共振，導致緩沖器的振動放大，影響其吸能效果和使用壽命。
該仿真APP適用于地鐵系統設計工程師、結構分析師及緩沖器制造商，通過建立緩沖器的三維模型，用戶可以定義材料屬性、邊界條件、結構參數等，進行模態分析，得到緩沖器的多階固有頻率和振型。通過分析振型，用戶可以清晰地了解緩沖器在不同頻率下的變形模式，識別出可能導致共振的區域，從而進行優化設計，確保緩沖器能夠在實際應用中有效緩解沖擊力。
展開 
基于MATLAB的矢量光束聚焦光場仿真
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。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，有助于學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不同，矢量光束屬于非均勻偏振光。振幅和偏振態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 1，comsol仿真厄米特高斯光束 ￥1000
本文根據《激光原理》-周炳琨這本書中的厄米特高斯光公式，在comsol中仿真了高階厄米特高斯光。
所用comsol版本為5.6版，模塊為波束包絡。
復現結果如下圖
其中TEM20厄米特高斯光的傳播動態圖如下圖所示
首先，厄米特高斯光束公式如下
該公式的難點是厄米特高斯函數H的具體表達式。它如下圖所示
有了具體表達式，接下來需要的就是紙和筆以及耐心，將高階厄米特函數推導出來，雖然上圖中給出了低階的厄米特函數，但還是推一推比較好。推好公式之后，輸入到comsol中即可重復出上面的曲線圖如下。
解決掉厄米特函數后，在光公式中存在兩個厄米特函數Hm和Hn。想要參數化掃描m和n，就可以調用不同的厄米特高斯函數該怎么辦呢？答案是用多層嵌套if語句即可。
如此一來，就不用手動一個一個替換厄米特公式，直接掃就完事了。
最后，能掃出16個厄米特高斯光束
書本上只取了其中六個進行展示
可以看到重復的還是比較好的。書本上其他圖重復出來也是沒問題的。
下面是付費內容，里面包含的內容如下圖。
展開 ansys和LS-DYNA進行聯合軌道動靜態仿真對比（加上軌道不平順）
鋼軌和軌枕的垂向位移：
其中鋼軌垂向位移為0.877mm其中軌枕為0.465mm，為了驗證位移的正確性，在ANSYS中進行靜力計算，采用兩對個力模型軸重14t的轉向架對軌道的力進行加載結果如圖為0.9mm
加入軌道不平順的軌道模型：
為了接近仿真的真實性，加入軌道不平順如圖，
其中加入軌道不平順后輪軌力如圖：
其中靜止時也是69.9kN，動態最大為96.8kN，加入不平順后對輪軌力的影響較大。
鋼軌和軌枕位移：
其中軌枕和鋼軌垂向位移好像沒變，很奇怪。希望大佬批評指正。希望使用ls-dyna的人一起交流。我群號 198456828
展開 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。
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