1.現(xiàn)代光學(xué)建模仿真的現(xiàn)狀 l$bmO{8uG
\]d*h]Hms 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中可能包含有各種類型的光學(xué)元件，如折射透鏡、衍射透鏡、折衍混合透鏡以及漸變折射率透鏡和各種衍射光學(xué)元件，如擴束器、整形器、分束器、相位板、光柵以及自由曲面等，同時還需要使用到各種不同的光源，如相干和部分相干光源，連續(xù)和脈沖光源以及具有各種偏振特性的光源。而一個高效和完善的光學(xué)建模工具，需要將不同類型的光學(xué)元件以及光源有效的放在同一個軟件平臺上進行模擬仿真，并獲得高精度的物理結(jié)果，如光學(xué)系統(tǒng)的衍射、干涉、部分相干、像差以及偏振和矢量效應(yīng)等，如圖1所示。 Cg%I)nz
圖1.現(xiàn)代光學(xué)建模的要求
"Jv,QTIcS 2.場追跡光學(xué)建模平臺——VirtualLab™ m@
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IUBps0.T\ 為了解決目前光學(xué)軟件在模擬仿真中的局限性，德國LightTrans公司開發(fā)了場追跡的概念來完成對不同類型的光學(xué)元件和光源的統(tǒng)一化建模，場追跡方法統(tǒng)一了從幾何光學(xué)到電磁場方法的建模技術(shù)，如應(yīng)用于光場在自由空間傳輸?shù)钠矫娌ㄗV法（SPW）、菲涅爾積分、遠場積分、幾何場追跡等，應(yīng)用于光場在元件表面?zhèn)鬏數(shù)膬A斜算子、幾何場追跡、薄元逼近（TEA）、分步光束傳輸方法（BPM）、傅里葉模態(tài)法（FMM）、有限元法（FEM）、積分法等，從而保證了對光學(xué)系統(tǒng)的各個部分進行精確的建模，從而獲得高精度的物理結(jié)果。 VAB&&AL
應(yīng)用場追跡概念來進行統(tǒng)一化光學(xué)建模與仿真的VirtualLabTM軟件包，其包含有五個工具箱，分別為基本工具箱（Starter Toolbox）、衍射光學(xué)工具箱（Diffractive Optical Toolbox）、光柵工具箱（Grating Toolbox）以及激光諧振腔工具箱（Laser Resonator Toolbox）和照明工具箱（Lighting Toolbox），如圖2所示。各個工具箱不僅可以應(yīng)用于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，同時五個工具箱又可協(xié)同工作，以實現(xiàn)功能的最大化。 "T= 3mv%S B}xo|:f!zj 圖2.由左至右：基本工具箱，衍射光學(xué)工具箱，光柵工具箱，激光諧振腔工具箱以及照明工具箱
>c' _xa?^G 3.主要功能及應(yīng)用領(lǐng)域 j~0ZE
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Iw VirtualLabTM的基本工具箱可以模擬各種光學(xué)系統(tǒng)的衍射、干涉、偏振和矢量等效應(yīng)；使用衍射光學(xué)工具箱可以設(shè)計和優(yōu)化各種衍射光學(xué)元件；使用光柵工具箱可以對各種類型的光柵進行嚴(yán)格的分析；使用激光諧振腔工具箱可以進行激光諧振腔的本征模和高階模的計算和分析；使用照明工具箱可以設(shè)計緊湊的光學(xué)系統(tǒng)以對LED光源進行光束整形和均勻化。 ) 9sr,3w U"R.!=v S:GUR6g8D 1).基本工具箱——各類光學(xué)系統(tǒng)模擬仿真的集成 uB)6\fkTB ?jM7C} 基于統(tǒng)一化場追跡建模方法，基本工具箱既可以模擬激光光學(xué)系統(tǒng)，微光學(xué)系統(tǒng)，衍射光學(xué)和干涉光學(xué)，又可以模擬成像和照明系統(tǒng)并對超短脈沖，時間和空間部分相干光以及全息復(fù)原等等進行建模，如圖3所示，全息復(fù)原模擬。同時，基本工具箱提供的用戶自定義功能最大限度的拓展了光學(xué)建模的靈活性和便利性，如圖4所示，使用可編程函數(shù)來模擬空間光調(diào)制器。而對于其新的參數(shù)運行（New Parameter Run和新的參數(shù)優(yōu)化（New Parametric Optimization）兩種優(yōu)化方法。前者可以通過將光學(xué)系統(tǒng)中的參數(shù)（如光源波長，透鏡表面曲率以及元件之間的間距等）作為變量，從而對整個光學(xué)系統(tǒng)進行優(yōu)化從而獲得期望的結(jié)果；后者可以通過確定期望結(jié)果以及光學(xué)系統(tǒng)的變量從而對整個光學(xué)系統(tǒng)進行優(yōu)化從而獲得期望的結(jié)果，如圖5所示，使用新的參數(shù)優(yōu)化找出柱透鏡的最佳聚焦長度從而校正半導(dǎo)體激光器光束的像散現(xiàn)象。 NbK?Dg8WJG
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DEeL 48{R 圖3.全息圖復(fù)原
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NS/L! "g 圖4.空間光調(diào)制器模擬
QvQf@o 圖5 左邊為全發(fā)散角分別為13°和53°的半導(dǎo)體激光的像散波前，右邊為使用新的參數(shù)優(yōu)化后，半導(dǎo)體激光經(jīng)過優(yōu)化后的柱透鏡所獲得的波前（像散幾乎被完全校正了）
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在基本工具箱中，不僅可以使用場追跡來進行光學(xué)建模，同時也可以使用光線追跡來對光學(xué)系統(tǒng)進行快速的驗證、分析和模擬，如圖6所示，使用光線追跡和場追跡方法模擬入射光經(jīng)過軸棱鏡相位調(diào)制以及聚焦物鏡后所獲得的環(huán)形光束。 igbb=@QBJ
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圖6.左圖為使用光線追跡觀察的3D光線視圖，右圖為使用場追跡獲得的結(jié)果
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2).衍射光學(xué)工具箱——專業(yè)的二元光學(xué)元件設(shè)計 h.+&=s!Nsy
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衍射光學(xué)工具箱使用迭代傅里葉變化算法(IFTA)，在用戶確定輸入光場以及期望的輸出光場后，幫助用戶自動完成各種衍射光學(xué)元件的設(shè)計或者開發(fā)工作，如對衍射光束分束器的設(shè)計，用戶不僅可以通過確定x方向和y方向的衍射級次來設(shè)計規(guī)則陣列的衍射光束分束器，同樣可以通過導(dǎo)入Bitmap文件、諧波場文件或者ASCII文件來設(shè)計任意陣列的衍射光束分束器，如圖7所示，通過導(dǎo)入文件來設(shè)計的任意陣列分束器；同時，應(yīng)用衍射光學(xué)工具箱中的光束整形器功能，可以設(shè)計出折射和衍射光束整形器，將入射的高斯光束整形成2D環(huán)形或矩形以及1D 的線型分布甚至是任意期望的輸出形狀，如圖8所示，將入射高斯光束整形成矩形高帽光束；而光束擴散器設(shè)計則可以幫助用戶快速的完成規(guī)則擴散器設(shè)計以及圖案生成擴散器設(shè)計，如圖9所示，通過導(dǎo)入圖案設(shè)計的圖案生成擴散器。 l8d%hQVqT
圖7.衍射光學(xué)工具箱設(shè)計的任意陣列分束器 圖8.矩形平頂光束整形
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最后，可以將設(shè)計完成的各種衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)導(dǎo)出以用作加工生產(chǎn)，如圖10所以，衍射光束分束器單個周期輪廓視圖。 g~sNY|%
圖9.十字圖案擴散器設(shè)計 圖10.分束器單個周期二元輪廓圖
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3).光柵工具箱——提供專業(yè)的光柵解決方案 K# +]
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光柵工具箱主要使用堆棧的概念來構(gòu)建各種2D光柵和3D光柵（如圖11所示），通過使用傅里葉模態(tài)法（FMM），不僅能夠?qū)撩琢考壷良{米量級的光柵結(jié)構(gòu)進行嚴(yán)格的電磁場分析，光柵的類型可以從衍射光柵、全息光柵、布拉格光柵、表面光柵、光子晶體、衍射光束分束器、起偏器、減反結(jié)構(gòu)、衍射光學(xué)元件直到光伏系統(tǒng)和光譜光柵等。用戶能夠使用New Parameter Run 和New Parametric Optimization兩種優(yōu)化方法對光柵結(jié)構(gòu)進行公差分析和優(yōu)化設(shè)計，并能夠應(yīng)用光柵工具箱特有的內(nèi)部場探測器和衍射效率分析器，來進行光柵的內(nèi)部場分析和衍射效率分析，如圖12所示。 Q7aDl8L
