渦旋光的案例
28，F(xiàn)DTD仿真渦旋光的傳播 ￥1000
fdtd內(nèi)置有平面光，高斯光，模式光，全場散射光，這些足夠滿足大部分情況。但是在一些特殊情況中，需要在fdtd中自定義光源，比如，在fdtd中入射一個渦旋光，徑向/角向偏振光等等，這個時候就需要編寫一些代碼將光源導(dǎo)入到FDTD中。
下面是我簡簡單單在FDTD中仿真的一個渦旋光的傳播。
渦旋光沿z軸向上傳播，兩側(cè)的4個動圖是不同z值時的XY面的光強分布，可以看到xy面上好像是一個厄密特光不停的旋轉(zhuǎn)，與一般印象中的”甜甜圈“狀渦旋光相去甚遠。這是因為這是時域中的結(jié)果，如果用監(jiān)視器轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域中的結(jié)果那么就像下圖
看一下yz面的頻域結(jié)果，也是明顯的空心狀
最后，檢測一下相位，是非常典型的”渦旋“
這里只展示渦旋光，至于其他光源的仿真暫時懶得仿了。如果你有其他特殊光源想在FDTD中入射仿真，先自己多多嘗試，實在不會可以找我代做，根據(jù)難度定價，一般難度1000元。下面是付費內(nèi)容，F(xiàn)DTD入射渦旋光。
展開 31，comsol仿真高斯光經(jīng)過渦旋板變成渦旋光 ￥1200
comsol仿真高斯光經(jīng)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(nèi)容中
[VirtualLab] 二維叉形光柵產(chǎn)生渦旋光陣列
背景介紹
在現(xiàn)代光學(xué)與光子學(xué)領(lǐng)域，渦旋光束因其獨特的螺旋相位波前和軌道角動量（OAM）特性，成為精密操控、量子通信、超分辨成像等前沿方向的核心工具。這類光束的相位分布呈螺旋狀，光強表現(xiàn)為中心暗斑，其攜帶的 OAM 理論上可無限取值，為信息編碼與傳輸提供了全新維度。
然而，傳統(tǒng)的渦旋光束生成方法往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂或難以集成的局限。在此背景下，二維叉形光柵作為一種高效、緊湊的相位調(diào)制元件，逐漸成為生成渦旋光束的主流方案之一。它通過在基底上刻蝕出具有特定拓?fù)浜傻牟嫘蜗辔唤Y(jié)構(gòu)，可直接將入射的基模高斯光束轉(zhuǎn)換為攜帶 OAM 的渦旋光束，具有設(shè)計靈活、衍射效率高、易于批量制備等顯著優(yōu)勢。
隨著微納加工技術(shù)的飛速發(fā)展，二維叉形光柵的制備精度與性能不斷提升，不僅能實現(xiàn)單一拓?fù)浜傻?em>渦旋光束輸出，還可通過級聯(lián)或復(fù)用設(shè)計生成多通道、多模式的 OAM 光束陣列。這一技術(shù)突破，極大地推動了渦旋光束在光通信、光學(xué)操控及量子信息處理等領(lǐng)域的實用化進程，為下一代光子學(xué)器件的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。
建模任務(wù)
這一期為大家介紹的案例為二維叉形光柵產(chǎn)生渦旋光陣列，如圖1所示。在本案例中用到光源為高斯光源，波長為532nm，束腰直徑為200μm。用可編程透過率函數(shù)模擬二維叉形光柵，經(jīng)過透鏡后查看在焦平面的光場分布。在焦平面通過光闌篩選特定級次后查看特定的衍射級次。如圖1所示為本案例的裝置圖。
圖1. 二維叉形光柵產(chǎn)生渦旋光陣列示意圖
二維叉形光柵的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為水平叉形光柵和豎直叉形光柵的疊加，公式參考文獻3. 沿著x方向和y方向的光柵周期為28μm，沿著x和y方向的拓?fù)浜删鶠?，振幅因子γx和γy為0.5.
圖2.
展開 010 - COMSOL超表面產(chǎn)生渦旋光（僅模型文件） ￥53
010 - COMSOL超表面產(chǎn)生渦旋光（僅包含模型文件，53元）
基本介紹：
主要內(nèi)容：基于文獻《利用超表面天線陣列產(chǎn)生太赫茲渦旋光束 作者：李瑤等》，用COMSOL重復(fù)了所有內(nèi)容；
計算所需的內(nèi)存：32 GB；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.4 (5.4.0.225)；
涉及的內(nèi)容：幾何-程序設(shè)計、在App開發(fā)器用模型方法構(gòu)建幾何、端口、周期性條件、參數(shù)化掃描 等；
繪制了：透射光的振幅和相位變化圖、透射光的電場分布、透射渦旋光的電場模和相位分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒有講解視頻，不附帶答疑指導(dǎo)。
包含的文件截圖：
詳細(xì)描述：
如上圖所示，該器件是由 L 形金天線構(gòu)成的超表面，超表面上分成 8 個區(qū)域，對應(yīng)不同的 h 和 r 尺寸，從而實現(xiàn)對相位的調(diào)制。超表面的排列周期 P = 1.5 mm，t1 = 300 nm，工作頻率是 0.1 THz。
x方向偏振的高斯光束從下往上入射到超表面，能夠輸出一個渦旋光。
計算的內(nèi)容和結(jié)果：
1、對幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)r和h進行掃描，得到透射光電場和相位變化情況。左：文獻中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果??
2、對于文中編號為A1~A8的八個尺寸不同的單元構(gòu)成的超表面，利用平面線偏振入射，正交方向透射光的振幅和相位改變。左：文獻中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果??
3、對于文中的陣列A，透射光電場x分量和y分量的分布情況。左：文獻中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果??
4、對于文中的陣列B，透射光電場x分量和y分量的分布情況。左：文獻中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果??
5、撲荷l = 1的透射光情況，受制于計算機性能，本案例中只截取了6×6的陣列來模擬，且網(wǎng)格剖分得很粗。
展開 
27，調(diào)控電磁波的傳播方向 2-渦旋光誘導(dǎo)熒光單向輻射 ￥2000
如下圖，作者制作了一排鋯硅納米柱，在其中摻雜熒光染料，隨后用顯微鏡聚焦渦旋光在納米柱一側(cè)，觀察到熒光分子被激活且熒光向著一側(cè)單向輻射。有兩點需要說明，第一個作者在仿真中使用的是偶極子光來近似等效聚焦渦旋光，第二點是作者的實驗現(xiàn)象我覺得也并不明顯是單向輻射，盡管他的仿真很明顯。
先用fdtd把上面的靜態(tài)圖片的模型仿真一下，就能得到動態(tài)圖看的更直觀
這篇文章是今年暑假回去學(xué)車時，抽空弄了弄，我用fdtd和comsol復(fù)現(xiàn)了本文圖1中de四幅圖的仿真，如下
下面是fdtd復(fù)現(xiàn)結(jié)果
下面是comsol的復(fù)現(xiàn)結(jié)果
另外還用comsol復(fù)現(xiàn)了圖3a，如下
下面是付費內(nèi)容
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(jié)果 與 我復(fù)現(xiàn)的結(jié)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(qū)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(shù)。
3，角向偏振光 徑向偏振光
4，貝塞爾-高斯 角向偏振光
展開 單軸晶體中的偏振轉(zhuǎn)換
摘要
當(dāng)線偏振光聚焦并通過單軸晶體傳播時，即使沿著光軸方向，不同的偏振分量之間也可能會發(fā)生復(fù)雜的轉(zhuǎn)換。這種現(xiàn)象可以應(yīng)用于例如產(chǎn)生渦旋光。以方解石晶體為例，這個用例在VirtualLab Fusion中證明了單軸晶體中的偏振轉(zhuǎn)換。并且可以觀察到在過程中產(chǎn)生的渦旋光。
建模任務(wù)
系統(tǒng)建立模塊-光源
系統(tǒng)建立模塊-單軸方解石晶體
模擬結(jié)果
總結(jié)——組件
VirtualLab Fusion操作流程
1建立輸入場
基本光源模式[教學(xué)視頻]
2使用表面構(gòu)造實際組件
3建立單軸方解石晶體
Virtuallab Fusion中的光學(xué)各向異性介質(zhì)[使用案例]
4定義組件的位置和方向
光路圖2：位置和方向[教學(xué)視頻]
VirtualLab Fusion 使用技術(shù)
文檔信息
展開 [VirtualLab] 單軸晶體中的偏振轉(zhuǎn)換
摘要
當(dāng)線偏振光聚焦并通過單軸晶體傳播時，即使沿著光軸方向，不同的偏振分量之間也可能會發(fā)生復(fù)雜的轉(zhuǎn)換。這種現(xiàn)象可以應(yīng)用于例如產(chǎn)生渦旋光。以方解石晶體為例，這個用例在VirtualLab Fusion中證明了單軸晶體中的偏振轉(zhuǎn)換。并且可以觀察到在過程中產(chǎn)生的渦旋光。
建模任務(wù)
系統(tǒng)建立模塊-光源
系統(tǒng)建立模塊-單軸方解石晶體
模擬結(jié)果
總結(jié)——組件
VirtualLab Fusion操作流程
1建立輸入場
基本光源模式[教學(xué)視頻]
2使用表面構(gòu)造實際組件
3建立單軸方解石晶體
Virtuallab Fusion中的光學(xué)各向異性介質(zhì)[使用案例]
4定義組件的位置和方向
光路圖2：位置和方向[教學(xué)視頻]
VirtualLab Fusion 使用技術(shù)
文檔信息
拓展閱讀
Virtuallab Fusion中的光學(xué)各向異性介質(zhì)
雙軸晶體中的圓錐形折射
展開 26，comsol仿真線偏振高斯光經(jīng)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(jīng)過透鏡聚焦后的光場，當(dāng)時是正好有文獻推導(dǎo)公式，
但是倘若沒有現(xiàn)成的文獻推導(dǎo)呢？那就得自己慢慢在草稿紙上推導(dǎo)。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(dǎo)了線偏振高斯光經(jīng)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(jié)果
付費內(nèi)容如下
29，F(xiàn)DTD自定義幾何形貌
在上一篇文章中，展示了了使用FDTD自定義光源，并舉例一個渦旋光的傳播仿真。那么，其實FDTD中也可以自定幾何形貌，下面展示下隨機分布的納米團簇。
1，鋪在基板上的金納米錐團簇，排列可以按照TEM圖來
2，隨機分布的任意大小，不同形貌的金納米顆粒
3，超表面結(jié)構(gòu)
Lumerical FDTD設(shè)計超透鏡產(chǎn)生渦旋光束
，其相位實際上是普通透鏡相位加載上渦旋光相位，這點符合開始講述的SLM原理。
VirtualLab Fusion光源的這些設(shè)置方法，你掌握了嗎?
部分相干光源
方法四：可編程光源
在光路編輯器中可以添加可編程光源，通過C#代碼定義光源，以下將通過一個簡單案例說明如何用可編程光源自定義你所需要的光源。打開Programmable Light Source編輯器，我們看到在Parameters中式空白的，點擊Edit按鈕打開編輯窗口。在global parameters中用Add按鈕依次添加x_offset、y_offset、beam_width、wavelength和order幾個參數(shù)，設(shè)置其默認(rèn)值和范圍。
圖8. 可編程光源添加參數(shù)
圖9左側(cè)紅框區(qū)域?qū)懭雽?yīng)的源碼。保存之后再次打開可編程光源，可以看到在下方出現(xiàn)了設(shè)定的參數(shù)，可以設(shè)置x和y方向的偏移、TEM00模的束寬和階數(shù)。
圖9. 可編程光源代碼編輯以及參數(shù)設(shè)置
運行之可以看到最后得到和原點對稱分布的渦旋光束，如圖10所示。
圖10. 離軸雙渦旋光束強度和相位
在VirtualLab Fusion的光路編輯器中選中光源，鼠標(biāo)右鍵后點擊Activate Light Source可以快速激活一個光源。
圖11. 快速激活一個光源
最后，別忘了在上方Layout Tools中可以將自定義的光源保存到自定義光源庫中，方便下次使用。
圖12. 保存可編程光源為自定義光源
展開 VirtualLab Fusion鏡頭設(shè)計及衍射分析案例—柱透鏡仿真
模式像散轉(zhuǎn)換器概念圖
如圖1所示，像散轉(zhuǎn)換器，即Astigmatic Mode Converter，是由一對柱透鏡組成的器件，最早由Allen等人提出，用于將厄米高斯光束轉(zhuǎn)化為渦旋光束。像散是激光束的一種固有光學(xué)特性，表現(xiàn)為光束在 X、Y 兩個正交方向上的聚焦點不重合，而模式像散轉(zhuǎn)換器通過精密設(shè)計的光學(xué)結(jié)構(gòu)（如特殊柱面鏡組、相位調(diào)制元件、光纖光柵等），可定量調(diào)控激光的像散量與像散方向：既能校正激光自身的像散缺陷，也能主動引入可控像散，讓激光束從 “非對稱形態(tài)” 轉(zhuǎn)化為 “對稱形態(tài)”，或從單一模式切換為目標(biāo)模式。如果把激光束比作一條 “水流”，普通激光的像散就像水流在左右和前后方向的流速、寬度不一致，而模式像散轉(zhuǎn)換器就像一套精密的 “河道整形器”—— 既能把歪歪扭扭的水流調(diào)得筆直均勻，也能按需求把水流塑造成特定形狀，讓激光精準(zhǔn)匹配后續(xù)的使用場景。
利用模式像散轉(zhuǎn)換器件可以將光纖激光輸出的橢圓光斑（帶固有像散）轉(zhuǎn)化為圓形高斯光斑，解決高功率激光加工中光斑能量分布不均的問題；它還可以消除超快激光、半導(dǎo)體激光在傳輸過程中產(chǎn)生的像散，保證激光聚焦精度，提升光刻、激光切割的加工質(zhì)量；利用模式像散轉(zhuǎn)換器根據(jù)需求生成特定像散的激光模式，滿足光通信、量子光學(xué)、激光雷達等前沿領(lǐng)域的特殊光路要求。
像散轉(zhuǎn)換器的核心組件是柱透鏡，它是只有一個方向有曲率，在另一個方向完全平直的鏡片--就像把圓柱形玻璃切了一片，只在 “母線方向” 具備聚焦 / 發(fā)散能力，另一方向?qū)饩€ “視而不見”。
展開 你還不知道“渦旋光束”？(轉(zhuǎn)載）
與機械鑷子相比，光鑷以非機械接觸的方式來完成夾持和操縱物體，它可以對目標(biāo)細(xì)胞進行非接觸式的捕獲和固定，以及對細(xì)胞進行精確操作，且可通過選用適當(dāng)波長的激光，使光鑷對物質(zhì)的熱學(xué)或化學(xué)等效應(yīng)非常弱，從而對細(xì)胞產(chǎn)生的損傷非常小。因此在生命科學(xué)研究中，幾乎所有的單細(xì)胞操作都采用光鑷進行操控。不過常規(guī)光鑷使用的是高斯光束（等相位面近似于平面）。高斯光束的光強在光束中心最強，向邊緣指數(shù)衰減。其捕獲原理與渦旋光束不同，如下圖所示：
高斯光束利用梯度力捕獲粒子
高斯光束依靠的是作用在任意透明粒子上的偶極力導(dǎo)致的朝向光束焦點的力。如果光束聚焦緊密，合成的梯度力足以克服散射力和重力的影響，那么就可以為直徑達幾微米的透明粒子創(chuàng)建三維陷阱，使粒子束縛在光強最強的中心區(qū)域。
高斯光束越強，其捕獲粒子的能力就越大，但是對于很多微小的粒子，尤其是生物顆粒，高強度的激光有可能對粒子造成不可逆的損傷。
而渦旋光束的光強分布是環(huán)狀的：
中心光強為零的環(huán)狀光束
這樣的中心暗斑會降低對生命物質(zhì)的傷害，即使增加光強也不會對粒子造成太大的損傷，粒子可以毫發(fā)無損地被束縛在光束中心，因此在生物醫(yī)學(xué)方面具有獨特優(yōu)勢。因此渦旋光束被廣泛應(yīng)用于粒子操控領(lǐng)域，如捕獲線粒體、溶酶體、金屬顆粒、無機物和有機物顆粒等。
捕獲CuO顆粒
捕獲并標(biāo)記溶酶體
除了捕獲特性，渦旋光束攜帶的軌道角動量是一個相對穩(wěn)定的量，在光通信中，渦旋光束的拓?fù)浜蓴?shù)既可以作為載體傳遞信息，也可以為信道提供全新的復(fù)用維度，從而提高空間光通信系統(tǒng)的容量。
渦旋光束還有哪些奇特之處呢？
1.渦旋光束有螺旋式相位結(jié)構(gòu)，光場中存在奇異點，在奇點處，振幅為零且相位不確定，光束傳播過程中光強呈現(xiàn)為環(huán)狀分布。
2.
展開 標(biāo)準(zhǔn)具和晶體中的電磁場傳輸算法
下一步，如參考文獻[44]中所展示，我們將晶體傾斜一定的角度α并將輸入高斯束腰設(shè)置為0.5mm，以生成單極光渦旋。模擬中，我們使用[33]中的方法處理非平行板之間的傳輸。通過這種方式，可以獲得傾斜晶體板表面的輸入場，且傾斜板表面的輸出場可以繼續(xù)傳輸至下一個元件。模擬結(jié)果如圖12和13所示。當(dāng)α=1.2°時，可以在表5中獲得采樣距離的數(shù)值測試細(xì)節(jié)。可以看到，沿x方向和y方向的偏差σ分別在輪次2和5中滿足停止判據(jù)。我們沿兩個方向繼續(xù)往前迭代一次（標(biāo)記有*）以獲得一個過采樣，以為了更好的與之后的非平行平面間的傳播相結(jié)合[33]，這之間的傳播通常需要過采樣因子為2.
圖12.當(dāng)α=0.8°時，方解石晶體板和偏振片P2之后的輸出場（振幅平方）
圖12和13再次與參考文獻[44]中的結(jié)果一致。與之前分析α=0°時的情況類似，光渦旋結(jié)構(gòu)是由方解石晶體的雙折射產(chǎn)生的。如圖13（c）和13（d）所示，同樣也可以看到相位錯位引起的光渦旋。除了渦旋，圖13（b）中還可以看到環(huán)形的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這是由于晶體板內(nèi)的多重反射造成的。
將表5中的數(shù)據(jù)測試與之前的進行比較，我們可以看到一個更快的收斂，特別是沿x方向的測試。包括表5中的所有測試循環(huán)，經(jīng)過傾斜的方解石晶體板的傳輸僅使用了大約4s的計算時間就完成了，而整個系統(tǒng)的模擬，包含透鏡，大約是30s的時間。由于方解石板繞y軸傾斜1.2°，若將晶體板表面作為參考，則對應(yīng)著一個輕微的傾斜入射場。根據(jù)傅里葉變換偏移理論，沿y方向的傾斜將導(dǎo)致角譜沿此方向有一個偏移。因此，透射場的角譜同樣存在沿x方向和y方向的不同調(diào)制。
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