新一代高速物理光学仿真及其在现代光学中的应用

日期：2017年5月22日（一）下午14：00-17：00

地点：北京市海淀区中关村南大街5号（北京理工大学中心教学楼634室）

报告人：张斯特先生 德国耶拿大学应用物理研究所 

张斯特先生，自2010年于中山大学物理科学与工程技术学院取得理学学士学位后，即赴德国耶拿大学 (Friedrich-Schiller-Universität Jena) 继续光学专业的硕士学习和研究，期间获得阿贝光学学院 (Abbe School of Photonics) 奖学金。 

在2013年获得理学硕士学位后，进入耶拿大学-应用物理研究所 (Institute of Applied Physics) - 应用计算光学组 (Applied Computational Optics Group) 攻读博士学位，其后发表期刊论文和会议论文十余篇，同时与应用物理研究所-超快光学组 (Ultrafast Optics Group) 共同开启联合研究题目。

在德国耶拿学习期间，张斯特的研究兴趣集中在基于场追迹 (Field Tracing) 的光学模拟和设计，其中既包括基础的光学问题，如使用平面波分解法计算任意光束在平面界面上的反射和折射，使用傅里叶模态法计算任意光束在光栅上的衍射；同时也有实用性的课题，如对脉冲光的时间-空间整形分析，基于Fox-Li方法的激光谐振腔横模计算。 

报告概要 

现代光学中，随着元件的小型化和系统的集成化，传统的光线追迹分析时常失效。从本质上讲，光作为电磁场，其相干、衍射、矢量性等特征都超出了光线追迹方法处理的范畴。而这些电磁场特性，在现代光学研究和应用中发挥着愈加重要的作用，这就需要一种可以正确考虑光的电磁场特性的仿真方法。以往，人们处理这类问题时采用的方式常常是沿用光线追迹，然后在光线的基础上添加关注的额外电磁场信息。但是在我们看来，在已经过度简化的模型上“硬塞”信息的方式并不符合逻辑。为此，我们已经提出了基于物理光学的场追迹概念，并且推出了基于这一概念的光学仿真软件VirtualLab Fusion。今天，我们在之前工作的基础上提出新一代光场追迹。 

与经典一代概念相比，新一代场追迹建立于完全的物理光学基础之上，其目标是以最高效的方式求解Maxwell方程并以此方式对整个光学系统进行仿真。对于光学系统中的不同部分，我们使用不同的域（如时间域、频率域、空间频率域等）来描述对应物理过程以最优化仿真效率。通过再在各域之间变换，以达到整个光学系统的高效仿真。我们将使用“Field Tracing Diagram”的形式阐明各域内的操作算符以及它们之间的变换关系。 

以电磁场在均匀介质中的传播为例，该物理过程在空间频率域中可简洁的表示为点对点的乘积形式，且是严格精确的表示；反之，若要在真实空间域描述该过程则需要用到积分形式，往往还是经过近似后的结果。以数值计算的角度来看，空间频率域内点对点的乘积自然要比积分形式高效得多。因此，新一代场追迹中均匀介质中的传播将统一化的在空间频率域操作。 

为了高效的连接真实空间与空间频率域，我们在新一代场追迹技术中加入了革新性的高效傅里叶变换：半解析傅里叶变换和几何傅里叶变换。结合使用这两种高效傅里叶变换，即使是高数值孔径大发散角的情况下，物理光学仿真也可高效完成。这是前代场追迹并不能胜任的。 

除上述革新之外，我们还新增了非序列场追迹仿真技术。为应对光波导以及基于光波导的先进光学系统，如近眼显示设备，光在元件内以及元件间往复的、非序列的传播过程必须正确处理。在此种情况下，新一代场追迹使用“Light Path Finder”自动探出给定结构对应的可能光路，结合实际应用条件（如光栅衍射效率、探测器位置等）确定需要仿真的光路。除了光波导结构，新一代的非序列场追迹技术在谐振腔仿真中也有重要意义。 

基于新一代场追迹概念，我们将展示其在 

1. 激光光束传递

2.  激光扫描

3. 光学测量

4. 基于平面波导与光栅的近眼显示

5. 光学轨道角动量生成与利用

6. 矢量光束与空间结构光束的传播

7. 超短激光脉冲 

等现代光学系统中的应用示例。