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科学家

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VirtualLab Fusion入门与进阶实用教程

前言

现代光学系统包含了不同类型的光学元件，如折射、衍射、微透镜阵列、光栅以及全息和自由曲面等；元件尺寸的跨度可能从纳米量级到米量级。同时，系统的光源也可能是不同的类型，如连续光源或脉冲光源、相干或部分相干光源等。有效的光学模拟需要对复杂光学系统中的光源及光学元件精确建模，从而实现各种光学效应的仿真再现，如干涉、衍射、相干、偏振以及矢量效应等。

现代光学建模技术包含了几何光学和物理光学两大领域，几何光学以费马原理为基础，通过折反定律来进行光线追迹，能够快速实现整个系统地仿真，但忽略了衍射和矢量等波动光学效应；物理光学通常以求解麦克斯韦方程组为主，如使用FDTD或者FEM等通用的全局麦克斯韦仿真求解器对整个系统进行求解，从而获得完整的电磁场信息，但由于计算量大而无法对整个复杂系统进行仿真。

为了满足现代光学系统的建模需求，德国耶拿大学Prof. Wyrowski Frank开发了高速物理光学仿真软件——VirtualLab Fusion，其集成了从几何光学到物理光学的各种建模技术，如几何光学算子、平面波角谱法、瑞丽索墨菲算子、薄元近似和傅里叶模态法等，既能够使用第二代场追迹或经典场追迹，从物理光学角度进行快速地仿真；也可以使用传统的光线追迹，对系统进行分析。在VirtualLab中，我们根据场追迹的概念将系统分解成不同的区域，并选择合适的麦克斯韦仿真求解器（建模技术）进行求解，之后通过序列或非序列方式将各个区域连接起来，从而达到对整个系统中求解麦克斯韦方程组的效果，以获得完整的电磁场信息。另外，在7.3版本中我们引入了多种傅里叶变换算法，如经典的快速傅里叶变换、半解析傅里叶变换以及几何傅里叶变换以实现不同类型光场在实际域与频率域间的快速转换，这也进一步提高了模拟的效率。

目前，VirtualLab Fusion的光场追迹概念正在被越来越多的高校、研究所以及企业所接受，为了满足越来越多用户地学习需求，讯技特推出了《VirtualLab Fusion入门与进阶实用教程》书籍，书中既包含了建模理论的介绍，又包含了大量逐步讲解的实用案例，包罗了光学成像、激光传输、光学测量以及光束整形等领域。

期望通过此书，能够帮助用户快速地学习和掌握VirtualLab Fusion软件，享受其为光学建模和仿真所带来的便利与乐趣。

感谢讯技的工程师们在此书的编撰过程中所付出的努力，由于时间有限，书中难免会有不足之处，还请各位同行及用户不吝指正。书中自带光盘中有软件试用安装程序及各章的案例，有兴趣读者可依次深入研究，若有任何问题，可随时与我们联系。

目录

第一章 VirtualLab Fusion理论基础 1
1.1 几何光学和光线追迹 1
1.2 物理光学和光场追迹 1
1.2.1 统一场追迹 3
1.2.2 第二代场追迹 6
第二章 VirtualLab Fusion安装与更新 10
2.1 VirtualLab 版本说明及系统配置要求 10
2.2 VirtualLab安装与更新 11
2.3 安装过程中可能遇到的问题 18
2.4 Windows高级系统设置推荐 22
2.5 C2V文件导出和V2C文件导入 23
第三章 VirtualLab Fusion快速入门 26
3.1 VLF图形用户界面介绍 26
3.2 光源 30
3.2.1 基本参数（Basic Parameters） 31
3.2.2 光谱参数（Spectral Parameters） 33
3.2.3 空间参数（Spatial Parameters） 35
3.2.4 偏振（Polarization） 37
3.2.5 模式选择（Mode Selection） 38
3.2.6 采样（Sampling） 39
3.2.7 光线选择（Ray Selection） 40
3.3 光学元件 41
3.3.1 真实光学元件编辑对话框 41
3.3.2 球透镜（Spherical Lens） 44
3.3.3 衍射光学元件（Diffractive Optical Element） 45
3.3.4 单光学界面（Single Optical Interface） 46
3.3.5 光学界面序列（Optical Interface Sequence） 46
3.3.6 其它类型光学元件 48
3.4 探测器 48
3.4.1 探测器通用界面 48
3.4.2 光路图内的探测器 50
3.4.3 谐波场和谐波场集探测器 52
3.4.4 数值阵列探测器 52
3.5 分析器 53
3.6 计算器 54
3.7 元件的位置和方向 54
3.7.1 光路元件 55
3.7.2 元件位置的定义 55
3.7.3 位置和方向确定规则 56
3.7.4 方向与位置的坐标系统 56
3.7.5 输出通道的方向 57
3.7.6 输出通道的自动方向 57
3.7.7 坐标断点元件 58
3.7.8 位置和方向设置 58
3.7.9 光路视图（定位） 60
3.7.10 角度定义 61
3.7.11 基本位置/方向与独立位置/方向的对比：移动 63
3.7.12 基本位置/方向与独立位置/方向的对比：倾斜 64
3.8 光路图（Light Path Diagram） 64
3.8.1 新建光路图 64
3.8.2 生成光路视图&光路编辑窗口 65
3.8.3 光路视图 66
3.8.4 光路编辑器 67
3.9 三种模拟引擎 70
3.9.1 球透镜聚焦系统 70
3.9.2 三种引擎结果对比 71
3.10 参数运行（Parameter Run） 73
3.10.1 创建参数运行 73
3.10.2 参数指定界面 73
3.10.3 使用模式 74
3.10.4 探测器指定界面 75
3.10.5 结果界面 75
3.10.6 合并输出 76
3.10.7 并行化和数据量 76
3.11 参数优化（Parameter Optimization） 76
3.11.1 创建参数优化 77
3.11.2 参数指定界面 77
3.11.3 探测器指定界面 78
3.11.4 参数约束窗口 78
3.11.5 通用设置窗口 78
3.11.6 结果界面 79
3.12 参数优化和参数运行的应用 79
第四章光学成像系统 96
4.1 慧差的模拟 96
4.1.1 慧差概念 96
4.1.2 泽尼克多项式与塞德尔像差 96
4.1.3 慧差的模拟 97
4.2  F/4施密特望远镜波动光学分析 100
4.2.1 模拟任务 100
4.2.2 模型构建 100
4.3 双合消色差透镜优化设计 103
4.3.1 模拟任务 104
4.3.2 模型构建 105
4.4 包含光栅元件的成像分析 109
4.4.1 系统描述 109
4.4.2 模型构建 110
4.5 高级PSF和MTF计算 117
4.5.1 模拟任务 118
4.5.2 模型构建 119
4.6 利用衍射透镜校正色差 124
4.6.1 模拟任务 124
4.6.2 模型构建 124
4.7 研究鬼像在准直系统中的影响 131
4.7.1 模拟任务 131
4.7.2 模型构建 132
第五章激光系统 137
5.1 光束传输 137
5.1.1 利用物镜对激光二极管像散光束进行准直的分析 137
5.1.2 非球面透镜后的聚焦研究 145
5.2 扫描系统 156
5.2.1 对使用非球面透镜的激光扫描系统进行性能分析 156
5.3 FS脉冲建模 176
5.3.1 使用一个高数值孔径离轴抛物面反射镜对飞秒脉冲聚焦 177
5.4 晶体建模 182
5.4.1 激光晶体中压力诱导的双折射 183
第六章光学测量 190
6.1 干涉仪模拟仿真 190
6.1.1 使用相干光的马赫-泽德干涉仪 190
6.1.2 白光迈克尔逊干涉仪 202
6.1.3 F-P干涉仪 220
6.2  显微镜模拟仿真 228
6.2.1 高数值孔径显微镜模拟仿真及研究 228
6.3  单色仪和光谱仪模拟仿真 239
6.3.1 切尔尼-特纳单色仪—衍射效率分析 239
6.3.2 切尔尼-特纳光谱仪—光谱分辨率及钠双谱线分析 250
第七章光束整形 256
7.1 折射光学 256
7.1.1 设计一个折射光束整形器以生成一个圆形高帽光 256
7.2 衍射光学 266
7.2.1 规则分束器设计、结构生成及结构导出 266
7.2.2 将高斯光束整形成Donut模式 283
7.3 扩散器 294
7.3.1 设计一个扩散器以生成一个INFOTEK标志 295
7.3.2 设计一个线性扩散器以生成线性聚焦光场 300
7.4 应用单元阵列结构实现光束整形 307
7.4.1 应用棱镜/光栅/反射镜单元阵列对白光进行整形 307
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