微納光學結構仿真的案例
光 · 學堂 | VirtualLab Fusion微納光學設計|光柵與超表面建模及仿真（深圳場）2026/5/28-5/29
授課時間：：2026/5/28（四）-5/29（五）（各城市并行開課）
課程時數：2天/城市
授課地點：深圳市光明區鳳凰街道尚智科技園1棟B座1503
課程講師：訊技光電工程師隊
課程費用：3600RMB/1人次
(課程包含課程材料費、開票稅金、午餐費)
課程簡介
Course Introduction
光柵是現代光學系統中最為常用的一種衍射光學元件。隨著制作工藝的不斷提升，光柵的尺寸也越做越小。相應地，光柵分析必須使用基于矢量電磁場原理的方法。本課程使用光之數字模型平臺VirtualLab Fusion，介紹如何使用傅里葉模態法對光柵進行嚴格精確的仿真。課程涵蓋的光柵示例既有表面型光柵，也有全息型體光柵，例如傾斜光柵、閃耀光柵、用于光學超透鏡的Nanopillar結構等。此外還會介紹超表面的設計和參數優化和大角度超光柵仿真。該課程無需軟件基礎。
展開 衍射及微納光學系統的分析、設計與加工技術
課程大綱：
1.波動光學基礎
□ 雙光束干涉及楊氏干涉
□ 相干及非相干光源的傳播特性
□ 衍射光學與傅里葉變換
2.衍射元件概述
□ 衍射光學元件概念
□ 衍射光學元件優點
□ 光束分束、整形、擴散
□ 傅里葉變換
□ 角譜理論
□ 工作裝置類型
3.衍射光學元件理念及設計
□ 基本理念
□ 透鏡和衍射光學元件的作用
□ 分束、整形和擴散的實質
□ 衍射光學元件的特征尺寸
□ 衍射光學元件優化設計方法
4.IFTA簡介
□ 基本設計步驟
□ 光學系統結構——1f、2f、Fresnel、Far-field、角譜
□ 參數估算——周期和線寬的估算
□ 光學系統分辨率——不同結構的分辨率
□ 配置設計過程的優化評價函數
5.衍射元件設計案例
□ 衍射分束器參數選擇
□ 衍射分束器設計流程：規則和任意形狀
□ 衍射整形器參數選擇
□ 衍射整形器設計流程：1D和2D平頂型
□ 衍射擴散器參數選擇
□ 衍射擴散器設計流程：平頂型和任意圖案
6.光柵模擬分析
□ 構建stack
□ 調整模擬參數——精度因子和衍射級次
□ 近場分析、衍射效率分析、內部場分析
□ 2D光柵表面鍍膜分析
□ 3D表面具有減反結構的光柵分析
□ 光柵單元陣列及透鏡陣列的建模與分析
7.光柵概述
□ 2D和3D光柵,亞波長光柵,及二元光學元件
□ 標量衍射和傅里葉變換
□ 矢量衍射和傅里葉模態法
□ 納米光學元件的應用：抗反射、偏振控制、成像、傳感等
8.微納光學元件制作
□ 多階器件加工
□ 連續器件加工
□ 傳統套刻法
□ 激光直寫法
□ 納米光子器件制作概述
□ 衍射光學元件公差分析
9.答疑
展開 基于COMSOL計算微納結構中的多級散射
多級散射是量化分析共振模式的一個常用手段，通過計算不同偶極子散射的能量可以很好地研究微納結構的輻射特性，例如Anapole由于ED和TD模式干涉相消表現為非輻射模式，TD環偶極子通常表現出高Q特性等等。通過復現一篇題為“Symmetric metasurface with dual band polarization-independent high-Q resonances governed by symmetry-protected BIC”的文章來展示準BIC的形成機制。
結構是由全介質構成的四聚體超表面，如下圖所示。當打破結構對稱性后會產生一個高Q的準BIC，反射譜上表現為一個尖銳的Fano共振。我們關注第一個共振模式。
圖1：四聚體超表面
圖2：透射譜以及Fano擬合
第一個共振模式是一個磁偶極子模式，簡稱MD，文中進行了多級散射展開，MD的分量占主導，從場分布中也可以看到一個明顯的磁偶極子模式，如下圖所示。
圖3：文中共振模式1的多級展開和場分布
圖3：周期性邊界條件設置
在COMSOL中選擇波長域進行仿真，材料設為硅，折射率為3.42。上下添加完美匹配層，x和y方向采用周期性邊界條件，如下圖所示。并且在上表面添加入射端口，由于文章是TM波入射，因此，電場沿x方向，端口具體設置如下。
圖4：建模以及邊界條件設置
圖5：入射端口設置
在結構上添加積分算子方便進一步計算不同偶極矩對散射能量具體計算公式可參考呢文中補充材料，不同文獻公式會略有不同，但大同小異，不影響定性分析。
展開 領先的光子學仿真工具Ansys Lumerical功能詳解：微納光子器件仿真的標準工具
三維CAD環境
CAD環境和可參數化仿真物件有助千快速構建二維或三維模型，自定義任意表面和立體形貌，用戶還可以從標準CAD和IC版圖工具中導入幾何結構。
多系數材料模型
使用多系數材料模型在寬波長范圍內準確描述真實材料的特性，根據測量數據自動生成材料模型，或自行定義函數描述材料特性。高級共型網格技術可以兼容色散材料和高折射率對比的材料，讓用戶可以在使用粗網格時，彷真結果仍具有高準確度。
Ansys Lumerical FDTD的主要應用
CMOS圖像傳感器
OLED和液晶顯示
表面計量
表面等離激元
石墨烯器件
太陽能電池
集成光子器件
超材料、超表面
衍射光學和光子晶體
Ansys光學軟件產品推薦
ZEMAX
Ansys Zemax是一套綜合性的光學設計軟件，它提供先進的、且符合工業標準的分析、優化、公差分析功能，能夠快速準確的完成光學成像及照明設計。
SPEOS
Speos是Ansys公司開發的專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件,已經廣泛用于航空,航天,軍工，汽車，軌道交通、通用照明等領域，也可依據人眼視覺特征和材料真實光學屬性進行的場景仿真。Ansys Speos光學仿真軟件基于可視化產品三維模型，直接采用數字樣機，使用虛擬環境仿真平臺，進行視覺功效虛擬分析和人因環境評估，在產品設計階段對的方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，使光學設計以高效率、超同步、易優化的工作實現可靠的產品解決方案。
Lumerical
Lumerical是Ansys公司開發的用于微納光子器件、芯片及系統的設計仿真軟件，融合了FDTD、EME等求解器，對微納結構及其器件進行設計仿真分析。
展開 
中紅外復合網柵減反射微納結構表面研究
[圖片]
如何為射線光學仿真創建復雜的透鏡幾何結構
”進行射線光學仿真之前，我們首先需要創建模型的幾何結構。
東北師大：精細微納結構加工，相比傳統光盤存儲容量大幅提升！
在此基礎上實現了超高密度光學數據存儲，相較于傳統光盤的存儲容量提高了~100000倍，達到準PB量級。該技術極大地提升了光存儲容量，可有效解決大數據時代下因信息量指數式“爆炸”增長而帶來的存儲難題。
精細的3D微納光學元件已經在物理、生物和化學等領域取得了廣泛應用。在均勻或非均勻介質中有效捕獲光能、并對其折射率進行精細的空間調制是發展集成化先進光子器件的重要手段。對于可發生機械形變的光活化介質，當用相干光照射時，容易在介質表面出現交替排布的膨脹和塌縮，形成3D周期性結構，即表面浮雕光柵（Surface Relief Gratings，SRGs）。基于光誘導表面浮雕技術，可以遠程、無接觸式地在特定位置實現微/納米級精細加工。通常這種復雜的表面起伏微結構可以通過光觸發的機械運動產生，但目前只能在有機活性分子體系中實現，并且空間有序的表面形變可能需要大功率或長時間刺激才能達到分子光異構和光取向的平衡狀態。
貴金屬納米顆粒（NPs）具有獨特的局域表面等離激元共振（LSPR）效應。當入射光頻率與金屬外層自由電子振蕩頻率相匹配時，金屬納米顆粒能夠高效吸收或散射外部光能，發生光化學反應、或以熱的形式釋放能量并產生“光熱效應”。
近日，東北師范大學物理學院付申成、張昕彤、劉益春研究團隊提出了一種基于等離激元驅動的光誘導質量遷移技術，在非光活性介質上實現了精細的表面形貌調制
。相關成果以“Plasmon-driven light harvesting in poly(vinyl alcohol) films for precise surface topography modulation”為題發表于《Optics Letters》 ，2021年4月6日在線出版。
展開 [VirtualLab論文] 中紅外復合網柵減反射微納結構表面研究
[圖片]
利用簡易方法制備穩定的具有微納結構的ZIF-8高效油水分離膜
隨著仿生學的研究發展，人們從荷葉、魚鱗等自然結構中不斷受到啟發，超疏水膜，水下超疏油膜等逐步成為研究熱點。
然而，常用的有機膜在高溫環境，或者接觸各種有機溶劑后，會降低其油水分離性能，而多數無機膜的制備工藝又比較復雜。因此，如何用簡單的方法，構筑穩定的微納結構，實現高分離率和高通量性能，并可大面積制備的油水分離膜仍然是個挑戰。
基于此，吉林大學薛銘研究團隊以金屬有機骨架材料（Metal Organic Framework, MOF）這類新型晶體材料為研究對象。在常溫常壓條件下，以不銹鋼網為載體，成功地制備出ZIF-8分離膜。由于ZIF-8膜的表面具有粗糙的微納結構（圖1a?c），顯示出優異的水下超疏油性能。
圖1（a，b）ZIF-8膜的SEM圖；（c）ZIF-8膜的AFM圖；（d）生長了ZIF-8納米晶的金屬網具有水下超疏油的性質。
在水中時，水分子優先被捕獲到膜表面的MOF微納結構中，形成連續的水層，這層液膜允許水相靠重力快速通過，而對油相產生強的排斥力，從而實現高效油水分離。
該MOF分離膜可以高效地分離多種油水混合物，油水分離效率高達99.99%，水中殘油量低于4 ppm，同時該膜具有較高的水通量10.2×104 L m?2h?1，以及很好的耐壓性6400 Pa。
圖2（a，b）ZIF-8膜油水分離過程圖；（c, d）經過高溫和有機溶劑處理后，ZIF-8膜仍保持良好的水下疏油性能。
進一步研究發現，即使經過200℃的高溫處理、以及多種常見有機溶劑（四氫呋喃、N，N’-二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二氯甲烷和正己烷）浸泡，該MOF膜仍然保持接近水下超疏油的性能（圖2c, d），并且可以循環多次使用。基于簡單的制備方法和便宜易得的原材料，該類MOF膜很容易實現大面積制備（圖2a, b），可以進行連續地大量的油水分離。
展開 Ansys Lumerical微納器件設計仿真軟件
產品概述
Lumerical是Ansys公司開發的用于微納光子器件、芯片及系統的設計仿真軟件。
主要模塊
應用領域
咨詢與訂購方式
聯系人：光研科技南京有限公司徐保平
手機號：15051861513
微信號：13627124798
2026 | OAS光學軟件-幾何光學與波動光學跨尺度仿真
02/幾何光學
在幾何光學領域，OAS 軟件基于光線追跡核心算法，為光學系統的研究與設計提供了高效、精準的一體化分析手段。
成像設計解決方案
光學軟件為成像系統設計提供從建模、優化到分析的一體化平臺。它支持從基礎透鏡到復雜多重結構系統的建模，可靈活設置孔徑、視場等關鍵參數并進行實時光路預覽。軟件內置優化算法，支持像差自動校正、多配置優化和公差分析，能針對多目標進行自動化迭代優化。在分析方面，軟件提供全面的像質評估工具，包括MTF、點列圖、波前圖等，支持對成像系統的核心性能進行專業評估。
照明與汽車光學解決方案
軟件為照明和車燈設計提供了強大的虛擬仿真與優化功能，能夠進行精準的光學性能與效果分析，完成自動化參數優化與方案驗證。其核心功能完整覆蓋了車燈設計、激光雷達光學系統、抬頭顯示器（HUD）以及內飾氛圍照明等關鍵環節，實現了從光源、光路到分析的全鏈路仿真，從而系統地滿足汽車行業在智能化與個性化趨勢下的光學創新需求。
雜散光解決方案
軟件能夠在儀器加工之前，通過高精度虛擬模型全面模擬和分析包括鬼像、衍射、散射及紅外熱輻射在內的各類雜散光現象，并提供了如路徑分析和提取、自動篩選照明關鍵面等工具，為光學工程師提供從識別、評估到修正的一體化工具體系，從而在設計階段有效消除雜散光干擾，保障光學系統的高精度與可靠性。
光機解決方案
OAS內置輕量化CAD核心，通過結合參數化與自由建模雙模式，提供從簡易機械結構到復雜光學元件的一體化設計與建模支持，實現了光學、機械與電子領域在設計數據、仿真流程與工程變更層面的深度融合與高效協同。
展開 
SYNOPSYS光學設計軟件課程六十六：離軸反射式光學系統初始結構設計
<p>根據現代光電信息技術對信息發送、接收、轉換、傳遞與存儲功能的特殊需求，光學面形可由不規則、復雜非對稱的自由曲面隨意組合而成。光學中的自由曲面是指無法用球面或非球面系數來表示的曲面，主要是指任意非傳統、非對稱的曲面，以及微結構數組和參數向量表示的任何形狀的曲面。</p><p><br></p><p>采用先進的數控超精密制造技術可直接加工出自自由曲面光學鏡面，能達到亞微米量級面形精度與納米量級的表面粗糙度。</p><p><br></p><p>自由曲面廣泛的應用在以下領域：投影鏡頭、衍射光學器件、頭盔式顯示器、車燈反射面、LED照明系統、汽車HUD抬頭顯示、離軸系統等等。</p><p><br></p><p>本文將展示使用synopsys軟件進行離軸反射式光學系統初始結構的設計</p><p><br></p><p>第一步是繪制設計簡圖。</p><p><br></p><p>這是一個有三個反射鏡的例子，如下圖所示。光線從表面1的左側進入，依次經過位于2,3,4處的反射鏡，然后進入5處的像面。
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 [光學工程] JCMsuite納米光學仿真分析軟件
JCMsuite是一款來自德國JCMwave公司、最適于復雜納米光學系統的仿真和設計軟件。它利用最先進的技術，為光學、連續介質力學和熱傳導問題提供快速準確的數值求解。它提供易用的腳本環境、可集成分析工具（如MATLAB、Python等）、機器學習優化技術等功能。”
JCMsuite是一款功能強大且靈活的仿真計算軟件，最適于復雜納米光學系統的仿真和設計。它利用最先進的技術，為光學、連續介質力學和熱傳導問題提供快速準確的數值求解。JCMsuite為您提供易用的腳本環境使用界面，并能完全集成在數據分析工具包中，且通過最新的機器學習技術優化您的光學系統。
01
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復雜光學系統的仿真
JCMsuite是一個完整且易用的有限元計算軟件，用于計算復雜納米光學系統中的電磁波、彈性和熱傳導。 基于數學和計算科學理論，JCMsuite擁有極短的計算時間、緊湊的數據空間需求和高度可靠性。
02
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分析和優化
JCMsuite包含用于高效地分析和優化納米光學器件或其他光學系統特性的工具。高級的機器學習技術可以有效地搜尋最佳設計，并顯著縮短開發時間。
03
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JCMsuite技術
JCMsuite是基于先進的數學方法和計算科學技術。它利用有限元方法（FEM）的強大功能和靈活性來實現快速準確的仿真計算，并使用最新的機器學習技術來優化復雜的光學系統。
1、CAD和網格劃分工具
JCMsuite幾何創建和網格劃分工具專門用于光子應用。
形狀和幾何形狀：可以使用線性或彎曲單元創建各種CAD幾何圖形，例如2D和3D基元、擠出、圓角形狀和自由形狀等。
展開 線上研討會 | OAS 光學軟件-生物醫學光學仿真
會議鏈接：https://meeting.tencent.com/dm/oMFleIBkeGvM
