1.现代光学建模仿真的现状
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m^\&v0 现代光学系统中可能包含有各种类型的光学元件，如折射透镜、衍射透镜、折衍混合透镜以及渐变折射率透镜和各种衍射光学元件，如扩束器、整形器、分束器、相位板、光栅以及自由曲面等，同时还需要使用到各种不同的光源，如相干和部分相干光源，连续和脉冲光源以及具有各种偏振特性的光源。而一个高效和完善的光学建模工具，需要将不同类型的光学元件以及光源有效的放在同一个软件平台上进行模拟仿真，并获得高精度的物理结果，如光学系统的衍射、干涉、部分相干、像差以及偏振和矢量效应等，如图1所示。 ny%$BQM=
图1.现代光学建模的要求
it-]-=mqb 2.场追迹光学建模平台——VirtualLab™ FWB
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d-C%R9 为了解决目前光学软件在模拟仿真中的局限性，德国LightTrans公司开发了场追迹的概念来完成对不同类型的光学元件和光源的统一化建模，场追迹方法统一了从几何光学到电磁场方法的建模技术，如应用于光场在自由空间传输的平面波谱法（SPW）、菲涅尔积分、远场积分、几何场追迹等，应用于光场在元件表面传输的倾斜算子、几何场追迹、薄元逼近（TEA）、分步光束传输方法（BPM）、傅里叶模态法（FMM）、有限元法（FEM）、积分法等，从而保证了对光学系统的各个部分进行精确的建模，从而获得高精度的物理结果。 (Hmm^MV) 应用场追迹概念来进行统一化光学建模与仿真的VirtualLabTM软件包，其包含有五个工具箱，分别为基本工具箱（Starter Toolbox）、衍射光学工具箱（Diffractive Optical Toolbox）、光栅工具箱（Grating Toolbox）以及激光谐振腔工具箱（Laser Resonator Toolbox）和照明工具箱（Lighting Toolbox），如图2所示。各个工具箱不仅可以应用于特定的应用领域，同时五个工具箱又可协同工作，以实现功能的最大化。 OkAgO3>Y/ b9ud8wLE[ 图2.由左至右：基本工具箱，衍射光学工具箱，光栅工具箱，激光谐振腔工具箱以及照明工具箱
GKbbwT0T| 3.主要功能及应用领域 0K6My4d{
JljCI@ VirtualLabTM的基本工具箱可以模拟各种光学系统的衍射、干涉、偏振和矢量等效应；使用衍射光学工具箱可以设计和优化各种衍射光学元件；使用光栅工具箱可以对各种类型的光栅进行严格的分析；使用激光谐振腔工具箱可以进行激光谐振腔的本征模和高阶模的计算和分析；使用照明工具箱可以设计紧凑的光学系统以对LED光源进行光束整形和均匀化。 .hM t:BMf* k dWU z( #1C]ZV] B 1).基本工具箱——各类光学系统模拟仿真的集成 w=CzPNRHH! J0
dY%pH# 基于统一化场追迹建模方法，基本工具箱既可以模拟激光光学系统，微光学系统，衍射光学和干涉光学，又可以模拟成像和照明系统并对超短脉冲，时间和空间部分相干光以及全息复原等等进行建模，如图3所示，全息复原模拟。同时，基本工具箱提供的用户自定义功能最大限度的拓展了光学建模的灵活性和便利性，如图4所示，使用可编程函数来模拟空间光调制器。而对于其新的参数运行（New Parameter Run和新的参数优化（New Parametric Optimization）两种优化方法。前者可以通过将光学系统中的参数（如光源波长，透镜表面曲率以及元件之间的间距等）作为变量，从而对整个光学系统进行优化从而获得期望的结果；后者可以通过确定期望结果以及光学系统的变量从而对整个光学系统进行优化从而获得期望的结果，如图5所示，使用新的参数优化找出柱透镜的最佳聚焦长度从而校正半导体激光器光束的像散现象。 x#5vdBf
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u(f Z ^ 图3.全息图复原
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}a/z.&x]V 图4.空间光调制器模拟
\>>P%EU, 图5 左边为全发散角分别为13°和53°的半导体激光的像散波前，右边为使用新的参数优化后，半导体激光经过优化后的柱透镜所获得的波前（像散几乎被完全校正了）
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在基本工具箱中，不仅可以使用场追迹来进行光学建模，同时也可以使用光线追迹来对光学系统进行快速的验证、分析和模拟，如图6所示，使用光线追迹和场追迹方法模拟入射光经过轴棱镜相位调制以及聚焦物镜后所获得的环形光束。 6:L2oW 6}{
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图6.左图为使用光线追迹观察的3D光线视图，右图为使用场追迹获得的结果
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2).衍射光学工具箱——专业的二元光学元件设计 S*>T%#F6Uo
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衍射光学工具箱使用迭代傅里叶变化算法(IFTA)，在用户确定输入光场以及期望的输出光场后，帮助用户自动完成各种衍射光学元件的设计或者开发工作，如对衍射光束分束器的设计，用户不仅可以通过确定x方向和y方向的衍射级次来设计规则阵列的衍射光束分束器，同样可以通过导入Bitmap文件、谐波场文件或者ASCII文件来设计任意阵列的衍射光束分束器，如图7所示，通过导入文件来设计的任意阵列分束器；同时，应用衍射光学工具箱中的光束整形器功能，可以设计出折射和衍射光束整形器，将入射的高斯光束整形成2D环形或矩形以及1D 的线型分布甚至是任意期望的输出形状，如图8所示，将入射高斯光束整形成矩形高帽光束；而光束扩散器设计则可以帮助用户快速的完成规则扩散器设计以及图案生成扩散器设计，如图9所示，通过导入图案设计的图案生成扩散器。 9J~\.:jH-
图7.衍射光学工具箱设计的任意阵列分束器 图8.矩形平顶光束整形
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最后，可以将设计完成的各种衍射光学元件的结构导出以用作加工生产，如图10所以，衍射光束分束器单个周期轮廓视图。 ;c)(
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图9.十字图案扩散器设计 图10.分束器单个周期二元轮廓图
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3).光栅工具箱——提供专业的光栅解决方案 P qL. ^
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光栅工具箱主要使用堆栈的概念来构建各种2D光栅和3D光栅（如图11所示），通过使用傅里叶模态法（FMM），不仅能够对毫米量级至纳米量级的光栅结构进行严格的电磁场分析，光栅的类型可以从衍射光栅、全息光栅、布拉格光栅、表面光栅、光子晶体、衍射光束分束器、起偏器、减反结构、衍射光学元件直到光伏系统和光谱光栅等。用户能够使用New Parameter Run 和New Parametric Optimization两种优化方法对光栅结构进行公差分析和优化设计，并能够应用光栅工具箱特有的内部场探测器和衍射效率分析器，来进行光栅的内部场分析和衍射效率分析，如图12所示。 >MKj~Ud
图11.利用堆栈结构定义2D光栅 图12.三角光栅内部场（x方向电场）
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4).激光谐振腔工具箱——灵活的激光谐振腔模拟和仿真平台 \K~wsu/?`
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激光谐振腔工具箱基于场追迹技术，将几何光学和电磁场方法结合起来，用来模拟和分析稳态和非稳态激光谐振腔，并可将微结构加入到谐振腔系统或者将LASCAD中的谐振腔系统导入以进行模拟和场分析；同时，其提供的Arnodi和Fox-Li数值算法，可以用来计算激光谐振腔的本征模和高阶模，如图14所示；最后，使用优化方法可以通过改变激光谐振腔的参数从而模拟激光光束的特性，如图15所示。 Q xA( *1
图14.激光谐振腔高阶模分析 图15.改变孔径半径以观察激光光束M2的变化
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5).照明工具箱——提供创新的照明解决方案 jDqG9]
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照明工具箱基于场追迹原理，提出了一种将衍射光学元件和微光学元件结构整合的新概念，通过设计如光栅单元阵列、棱镜单元阵列和微反射镜单元阵列从而构建紧凑的照明系统以用于LED光以及其它高发散辐射光源的整形和均匀化，并可将设计完成的结构以GDSII格式导出，以用于加工。图16，微反射镜元胞阵列；图17，LED光束整形微反射镜单元阵列场追迹结果；图18，LED微反射镜单元阵列光线追迹结果；图19，导出的蚀刻掩膜GDSII文件。 l Z7
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图16.微反射镜单元阵列结构 图17.场追迹获得的色散场
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图19.光线追迹的结果 图20.导出的蚀刻淹没GDSII文件 s3nO"~tM
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4.总结 j)Ak:l%a
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VirtualLabTM基于场追迹建模方法，将多种建模技术（从几何光学到物理光学）集于一个光学建模平台，同时还拥有九个库系统，如光源库、界面库、材料库等，可以满足不同光学工作者的建模仿真以及设计需求。同时，其友好的而操作界面以及智能化设计模块能够使未曾使用过光学软件的用户快速完成光学设计和模拟任务。最后，其开放的二次开发环境为用户建模提供了完全的便利性。随着越来越多的建模技术的融入，VirtualLabTM必将被应用到更多的光学领域，满足更多的光学工作者的需求。 zRD-[Z/-
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同时，其已有的各种2D和3D光栅模型可以帮助用户快速的完成建模和分析，如图13所示；最后，其提供的自定义功能可以帮助用户通过自定义构建各种光栅，极大的满足了用户建模的灵活性。VirtualLab光栅工具箱，可以为各种类型的光栅问题提供完美的解决方案。 ZZZ9C#hK^9
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图13.左边为截锥光栅界面，可直接用于构建3D光栅结构；右边为各种已设计好的光栅，可以直接用于各种光栅的模拟仿真和分析
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