VirtualLab软件操作和实例剖析培训讲义

VirtualLab软件操作和实例剖析培训讲义内容概要•VirtualLab软件整体介绍•软件功能介绍•VirtualLab软件建模指导•VirtualLab软件优化方法介绍•VirtualLab衍射光学元件的设计和优化•VirtualLab软件光栅的建模和分析VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍软件开发背景介绍•世界光谷——德国耶拿由左至右：蔡司，阿贝和肖特软件开发背景介绍•世界光谷——德国耶拿软件开发背景介绍•现代光学的建模需求软件开发背景介绍•现代光学的基础1.阿贝成像理论2.衍射的分辨率极限3.超越光线追迹的设计和建模•包含了物理光学效应的光学建模、分析和设计会更加真实•计算机技术的发展，在光学应用中发挥了巨大的作用软件开发背景介绍•契合现代光学建模要求——VirtualLabFrankWyrowski教授LightTrans公司VirtualLab软件软件开发背景介绍•应用计算光学小组@IAP软件开发背景介绍•WyrowskiPhotonicsandLightTrans软件开发背景介绍•VirtualLabFusionVirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍场追迹技术介绍•光学建模的任务光源元件以及自由空间的传播探测器场追迹技术介绍•光源场的电磁场描述电磁场由六个场矢量描述：由于，因此磁场方向的分量可以用电场描述：由于，电场在Z方向的分量可以由其它分量来描述：TzyxzyxHHHEEEV,,,,,wrHiwuwrE,;0zyxEEEHH,,0;wrEyxzzEEEE,TyxE,EV场完全可以用来描述场追迹技术介绍•光源场的电磁场描述DonutModeSource–Z方向电场–Y方向磁场–X方向坡印廷矢量场追迹技术介绍•光场在元件以及自由空间的传输TinyinxinE,EVToutyoutxoutE,EVinoutSVV场追迹技术介绍•光场在自由空间的传输•自由空间传输自动传输算子平面波谱算子菲涅尔传输算子混合平面波谱/菲涅尔算子远场算子几何光学算子场追迹技术介绍•光场在自由空间的传输•光源参数高斯光束15°发散角（全角）•自由空间传输算子自动传输算子•自由空间传输距离10um100um1000um场追迹技术介绍•光场在自由空间中传输（自动传输算子）场追迹技术介绍•光场在自由空间传输10um传输距离1mm传输距离100um传输距离场追迹技术介绍•光场在元件间的传输TinyinxinE,EVToutyoutxoutE,EVinoutcVV•元件传输方法几何光学传输（GeOp）薄元逼近（TEA)傅里叶模式法（FMM）有限元法（FEM）迭代傅里叶变换方法（IFTA)………….场追迹技术介绍•统一化建模技术——集合了几何光学建模技术和物理光学建模技术，以对一个光学系统进行统一化建模FDTDFieldTracingTechniquesFEMfreespace(SPW)gratings(FMM)layersplaneinterface(Fresnel)more…lenses,etc.(GeOp)slightscatterer,DOE(TEA)freespace:Fresnel,farfieldweakvariation:BPMmore…场追迹技术介绍•针对光学系统的不同部分使用不同的传输技术freespace(SPW)lenses,etc.(GeOp)freespace:Fresnel,farfield场追迹技术介绍•越来越多的追迹技术将会被融合到VirtualLab之中VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍场追迹技术和光线追迹技术的比较•光的描述场追迹技术：使用电磁场来描述光光线追迹技术：使用光线来描述光•光的传输场追迹技术：多种建模技术应用于一个光学系统光线追迹技术：对整个光学系统应用一种建模技术•与场追迹技术相比，光线追迹技术在一定程度上限制了用户的应用场追迹技术和光线追迹技术的比较•平面波经球透镜后的光线追迹，场追迹EX方向的振幅分布和相位分布VirtualLab软件整体介绍•软件开发背景介绍•场追迹技术介绍•场追迹和光线追迹的比较•软件应用领域介绍软件应用领域介绍•波动光学模拟和激光系统设计•分析和控制超短脉冲•衍射光学元件光束整形、分束和扩散•光栅的分析和优化•激光谐振腔的分析和优化•LED光和激光的均匀化和整形软件功能介绍•五大工具箱基本工具箱衍射光学工具箱光栅工具箱激光谐振腔工具箱照明工具箱软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米以及宏观光学的统一化建模对透镜，微光学和衍射光学元件进行统一建模对时间和空间部分相干光源进行建模对超短脉冲进行建模建模过程中考虑了干涉、衍射、散射以及像差效应客户自定义元件和传输模型光学系统的参数优化软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模包含有宏观光学元件和微光学元件的统一化建模输入光场宏观光学元件成像微观光学元件成像软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模可以对包含干涉、衍射、散射和像差和矢量效应的光学系统进行建模软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模空间光调制器模拟时间部分相干光干涉模拟可以对空间光调制器以及部分相干光进行模拟仿真软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模可以模拟飞秒，阿秒脉冲以及脉冲色散效应，时间和空间的演化等软件功能介绍•基本工具箱——纳米、微米和宏观光学的统一化建模优化前光斑大小优化后光斑大小可以使用优化功能，对结果进行分析和优化软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学元件的设计设计衍射分束器以获得规则的或任意分布的光束阵列设计衍射扩散器以获得规则的或2D光强分布的图案设计衍射整形器以将高斯光束整形成均匀强度分布，如环形、高帽和线形等利用迭代傅里叶变换算法对衍射光学元件进行优化利用参数运行优化方法对衍射光学元件进行公差分析软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束整形器设计入射高斯光束整形后光强均匀分布的高帽高斯光束软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束分束器设计入射高斯光束分束后获得的图案分束光束软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射光束扩束器设计入射的高斯光束光束经扩散器所获得的任意2D图案分布软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计可以进行衍射分束器的设计并可将设计的元件结构.gds文件导出以用作加工衍射分束器设计衍射分束器一个周期的结构软件功能介绍•衍射光学工具箱——衍射和微光学设计光束经实际加工出来的衍射元件所获得的效果线形扩散器和环形扩散器任意图案的分束器软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析2D和3D光栅尺寸从纳米到毫米量级对各种光栅进行严格和近似的电磁场分析和设计计算光栅的衍射级次、偏振、反射、透射、吸收以及内部场一般照明的严格光栅分析公差分析、参数变化和参数优化软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行2D和3D光栅的设计和模拟矩形光栅——2D光栅截锥金字塔光栅——3D光栅软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行三角光栅的内部场分析一个周期的内部场分布四个周期的内部场分布软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析可以进行衍射级次和衍射效率分析一维光束衍射效率分析图极坐标下各级次透射和反射所对应的角度以及效率软件功能介绍•光栅工具箱——光栅结构的设计和严格的电磁场分析左图：优化后的娥眼抗反射结构；中图：未优化的结构波长和反射率的关系；右图：优化后的结构波长和反射率的关系软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析计算谐振腔系统的本征模，包括基膜和高阶模以及本征值和输出耦合模稳态和非稳态腔模拟将微结构和DOE作为谐振腔的一部分进行模拟，同时客户可自定义孔径从LASCAD中导入谐振腔系统进行分析进行谐振腔的公差分析软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析可以计算激光谐振腔系统的基模和高阶模热透镜激光谐振腔基模热透镜激光谐振腔高阶模软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析环形激光谐振腔模拟软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析Fox-Li算法和Arnodi算法Fox-Li算法计算不同迭代步数对应的x方向光束半径；Arnodi数值算法计算不同的迭代步数对应的x方向光束半径；软件功能介绍•激光谐振腔工具箱——谐振腔本征模分析从LASCAD中导入激光谐振腔系统。可以导入热透镜和相应的折射率数据。在VirtualLabTM中使用包含几何光学和分布光束传输方法进行此类谐振腔的分析软件功能介绍•照明工具箱——LED光的整形和均匀化开发紧凑的照明系统用于LED光的均匀化和整形，如光栅元胞阵列设计可以产生光图案和光图标的光学元件，如微反射镜元胞阵列和微棱镜元胞阵列对LED光和其它光源的建模包含了功率谱，时间和空间相干以及偏振特性利用场追迹分析微结构阵列利用光栅工具箱严格的分析光栅阵列的效率软件功能介绍•照明工具箱——LED光的整形和均匀化使用光栅单元阵列对LED光整形输入的图片获得的色散场软件功能介绍•照明工具箱——LED光的整形和均匀化使用光线追迹观察LED光经光栅单元阵列的光场分布光线追迹点列图光线追迹3D视图软件功能介绍•照明工具箱——LED光的整形和均匀化电镜下光栅光栅元胞阵列的结构；反射镜元胞阵列的结构VirtualLab软件建模指导•软件建模方法•光学建模的光线追迹•光学系统建模的场追迹软件建模方法•双击VirtualLab软件，进入操作界面导航栏属性浏览器信息及结果显示栏主窗口软件建模方法•新建一个LPD光路编辑界面光路预览界面软件建模方法•构建一个光学系统——选取光源、元件以及探测器光源元件探测器分析器软件建模方法•构建一个光学系统——将光学系统各部分连接起来软件建模方法•构建一个光学系统——对光学系统各部分进行编辑双击，进入光源界面，通过相应的子界面，修改光源参数，从而构建光源软件建模方法•构建一个光学系统——对光学系统各部分进行编辑双击进入元件界面，通过相应的子界面，修改元件参数，从而构建光学元件软件建模方法•构建一个光学系统——对光学系统各部分进行编辑双击，进入探测器界面，通过相应的子界面，选择需要探测的参量软件建模方法•构建一个光学系统——对光学系统各部分进行编辑双击虚拟屏界面，通过相应的子界面，控制探测场的大小以及探测函数软件建模方法•构建一个光学系统——对光学系统各部分进行编辑双击，进入位置和方向界面，确定光学系统各部分的位置光学建模的光线追迹•点击，对光学系统进行光线追迹光线追迹结果3D视图光学建模的光线追迹•点击，对光学系统进行光线追迹光线追迹结果2D点列视图光学建模的场追迹•点击，对光学系统进行场追迹场追迹结果：人眼视图和数据视图光学建模的场追迹•进入信息及结果显示栏，查看探测器探测结果宏观与微观光学系统建模•微透镜阵列成像f=200mm的平凸球面透镜PMMA材料微透镜阵列宏观与微观光学系统建模•球透镜及微透镜阵列参数1.球透镜–中心厚度：3mm–直径：5mm–凸面曲率半径：103.98mm–材料：N-BK72.微透镜阵列–中心厚度：100um–整体尺寸：10mmx10mm–周期：50umx50um–曲率半径：500um–材料：PMMA宏观与微观光学系统建模•微透