软件教程/图纸案例
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闲聊杂谈
- VirtualLab Fusion应用：具有粗糙表面的回复反射器的反射 当试图将独立于入射方向的光大致反射回同一方向时，通常可以使用回复反射器。
这个演示展示了如何在非序列场追迹的帮助下对这种结构进行建模。它还包括通过在表面上应用随机函数来对反射器壁的粗糙表面进行建模。
(图1：系统设置1；图2：任务描述；图3：系统设置2；图4：仿真结果；图5：涡流传播）
- VirtualLab：医用衍射透镜 混合透镜结合了经典折射元件和衍射结构的优点，因此在不同光学应用中成为一种很有前景的方法，例如用于治疗白内障的人工晶状体植入。特别是，折射率和衍射表面的相反色散符号使色差的校正成为可能。
为了精确地建模和设计这种混合元件，有必要通过系统对衍射效应进行深入分析。这包括评估实际结构的衍射效率与点扩散函数(PSF)的快速精确计算相结合。VirtualLab Fusion在单一平台上高度灵活的可互操作建模技术方法是实现经典透镜精确快速建模和衍射透镜不同级次衍射效率计算的关键。
为了说明该软件在这方面的能力，在实例中分析了所设计混合透镜的近场和远场视图。此外，为了进一步优化光学函数，还研究了改变二元元件高度对衍射效率的影响。为了评估产生的PSF类似于人眼的感知，使用了光度量，如光照度和光通量，这可以很容易在VirtualLab灵活探测器概念的帮助下设定。
我们展示了如何从Zemax OpticStudio®导入一个眼内衍射透镜设计到VirtualLab Fusion中，用实际的二元结构对其进行建模，并优化结构高度以获得更好的性能。
本用例介绍了通用探测器，它允许在VirtualLab Fusion中评估和输出电磁场的任何信息。此外，通过使用非常灵活的内置或定制附加组件，它可以进一步评估入射光的信息，以计算任何物理量，例如辐射度量或光度量。
(图1：眼内衍射透镜的设计与分析；图2：通用探测器)
- 偏振相关光栅 众所周知，具有亚波长结构的光栅具有偏振敏感特性。然而，这种特性可能有害，也有可以被进一步利用，例如，我们在J. Wuster等人的工作基础上构建了一个偏振敏感的衍射光栅，并在VirtualLab Fusion中展示了其特性。此外，在另一个典型示例中利用这种偏振相关性制作线栅偏振器。根据双折射原理，构造了具有亚波长结构的二元光栅，并证明了它的偏振相关性质，利用傅里叶模态法(FMM, RCWA)分析了超稀疏介质纳米线栅网格的偏振相关性质。
（图1:偏振相关的二元谐振光栅;图2：超稀疏介质纳米线栅网格偏振器）
- VirtualLab Fusion应用：亚波长结构偏振光栅的深入分析 超稀疏纳米线栅——由周期介质导线组成的光栅结构，其截面比所使用的波长小得多——在很宽的波长范围内表现出强烈的偏振依赖性。这些特性使它们成为光学系统的纳米结构偏振器的可行选择，在光学系统中，紧凑的可积性和热稳定性是至关重要的，该方法比传统的基于双折射晶体或多层系统的方法具有明显的优势。
在本周的时事通讯中，我们对快速物理光学建模和设计软件虚拟实验室融合中的这种结构进行了详细的分析，使用了文献[J. W。Yoon等人。OE,23,28849-28856（2015）]作为参考。在这个例子中，我们不仅计算了由周期结构反射和传输的光的偏振相关效率，而且还可视化了电场如何在内部传播，清楚地说明了纳米线排列的极化行为：tm偏振部分几乎不受影响，而te偏振部分几乎完全反射。这个分析是由VirtualLab Fusion的组件内光场分析仪： FMM。你也可以在下面的链接中找到详细的指南。超稀疏介质纳米线栅偏振器组件内部光场分析仪： FMM，演示了一种分析器，它允许计算通过光栅组件传播的光场。为此目的，FMM是要采用不同形状的周期结构。利用傅里叶模态法（FMM，也称为RCWA）分析了超稀疏介质纳米线网格的偏振相关特性。
（图1：超稀疏介质纳米线栅偏振器；图2：组件内部光场分析仪： FMM）
- VirtualLab 应用：用于高NA显微镜成像的工程化PSF 显微成像技术在最近的几十年中得到迅速发展。 PSF（点扩散函数）通常不是像平面上的艾里斑。当对沿纵轴定向的偶极子源进行成像时，可以设计出一个甜甜圈形状。 我们在VirtualLab Fusion中证明，当偶极子源的方向发生变化时，会获得不同的非对称PSF（不是艾里斑）。 此外，可通过在显微镜系统的光瞳平面中插入一定的相位掩模来获得双螺旋PSF [Ginni Grover et al., Opt. Exp. 2012]。通过这种工程化的PSF，甚至可以观察到物体的微小散焦，即与传统的成像方法相比，可以大大提高轴向分辨率。 我们通过在VirtualLab Fusion中应用商业显微镜镜头（Nikon）系统来演示此现象。
在VirtualLab Fusion中，可以直接分析偶极子源的PSF。 该实验证明了当偶极子源的方向改变时，PSF具有不同的形状。
在VirtualLab Fusion中，通过在高NA显微镜系统的光瞳平面中插入相位掩模，以简单快捷的方式分析双螺旋PSF。 结果表明，即使只有一点散焦（〜130 nm）的物点，双螺旋PSF也会有旋转。
（图1：使用高NA显微镜系统分析偶极子源的PSF；图2：用于3D成像显微镜的双螺旋PSF）
- JCMSuite应用—垂直腔面发射激光器（VCSEL） 垂直腔面发射激光器 （VCSEL） 是一种特定的微型化半导体激光二极管。谐振腔通常由布拉格反射镜（分布式布拉格反射器DBR）构成，激光束发射垂直于顶部的表面。本教程案例展示了如何设置复杂的 VCSEL 几何形状，以及如何用其特有的 3D 模式轮廓、共振波长和质量因子（Q 因子）高效的计算腔膜。该设置紧跟文献中的案例（比恩斯特曼等人2001年发表的文章）。其结构形状是旋转对称的，因此您可以在圆柱坐标系统中使用共振模式求解器来计算共振。
几何体（由一个二维平面几何形状围绕 y 轴旋转以产生三维器件几何结构）和各种网格生成参数在文件layout.jcm中定义。在此特定情况下，所有层（DBR、激发层、光圈层、腔层）都在绝对坐标中定义为多边形，精度低于纳米量级。
设置网格选项，以便获得相对较大的且不太精细离散化的计算域。（在这种情况下，最薄的层只有 的厚度，而设备的直径是约 。在这种条件下，各向异性网格设置可以显著降低计算工作量。
微小特征尺寸（Tiny Feature Size）选项实际上关闭了在所有层中比Tiny Feature Size=100单位长度小的网格划分。最小网格角度（Minimum Mesh Angle）选项可以设置锐角三角形。删除内约束选项（Remove Inner Constraints）可以引入亚网格，在垂直方向上通过放置几个相同材料构成的薄层靠近彼此来实现(在本案例中是在中央空腔区域完成的)。
下图展示了上面所描绘的几何形状（左边上图DBR 是25组四分之一波层对，下面DBR 是30组四分之一波层对）和部分三角网格划分（右图，放大后是非常薄的激发层，可以看到具有尖锐三角形的各向异性网格）。
通过计算的3D解决方案，可以将计算的场分布导出到2D截面进行后处理。下图展示了平行于对称轴且通过腔体中心的截面，左图显示了光强分布，右图是场矢量分量的实部
（图1：几何形状；图2：场分布）
- OptiSystem应用：光纤环形镜FBG传感器 应用
遥感
FBG传感器合成
温度，应力和应变传感
土木工程，如桥梁，管道，结构
多方向数据传感
综述
光纤环形镜配置已应用到各个方面中，其中一个重要的应用是传感。在光纤环形镜中插入光纤布拉格光栅（FBG）后，可利用环形镜的切换功能来增强传感和访问能力。宽带LED或白光源照进FBG环形镜，可以在FBG中心波长处产生连续波（CW）光信号，这种光信号可以通过控制环路内的移相器从环路的两侧进行访问。CW光波长随FBG的环境条件（包括温度，应力和应变）而变化。
优点
FBG光纤环形镜传感器可用于任何远程位置不同参数的检测，并可通过单模光纤传输感应数据。
通过控制移相器的相位，可以从传输系统的两侧访问所检测的数据。
OptiSystem软件允许用户研究FBG光纤环形镜传感器中不同参数对整体性能的影响。
使用OptiSystem软件可以进行FBG参数合成。
仿真说明
图2显示了用于在OptiSystem中进行FBG光纤环形镜传感器数值仿真的布局。低成本宽带LED可用于探测传感器。 LED灯光通过一个循环器和一个3-dB光纤耦合器在两个方向上发射到环路中。 FBG在其定义的带宽和中心频率内，反射环路每个方向上的光信号。 FBG还允许传输其带宽之外的光信号，且不改变它们的传播方向。一旦反射和传输的场返回到3-dB光纤耦合器的输出端口，它们就会加强，消减或部分地干扰，这取决于3-dB光纤耦合器的每个输出端口处的两个场之间的相位差。如果两个场之间的相位差为0°，则光信号将通过环路传输并出现在3-dB光纤耦合器的另一个输入端口（标记为2）。但是，如果两个场之间的相位差为180°，则光信号被反射回3dB光纤耦合器的输入端口（标记为1）。任何其他相位差都会导致光信号出现在两个端口上。当相移等于180°或0°时，反射或透射的产生的光信号是以FBG中心频率（1550nm）为中心的连续波（CW），其20dB线宽为90GHz（0.72nm），如图3所示。当感测位置处的环境条件改变或应力和应变施加到光纤布拉格光栅时，FBG物理条件改变并影响其中心布拉格波长。 结果是产生的CW光信号中心波长变化。 可以从传感器位置远程监测中心波长的漂移。图4显示了当相移器设置为0°时，由于感测位置处的温度变化导致光栅布拉格波长的变化而在反射端口处测量的CW光信号。 在仿真时，FBG的温度范围从0℃变为100℃。
仿真工具可用于合成现实生活中部署的FBG光栅的实际参数。 这可以在传感系统的安装和测试阶段完成。 然后，通过比较测量的CW光信号的中心波长和合成的FBG参数的仿真结果，可以将合成的FBG用于实际传感系统的分析阶段。
（图1：FBG环形镜传感器布局；图2：仿真的FBG光纤环形镜布局；图3：相移设备设置为0°时发送的CW信号；图4：薄矩形单元对方向角的响应）
- VIRTUALLAB FUSION中马赫曾德尔干涉仪的真实与理想分束器 1890年代初期发明的马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)很快成为最受欢迎的干涉仪之一，如今仍在某些应用中使用。 由于其特征性的，分开的光路仅经过一次，因此它是一种高度可配置的仪器（例如相对于迈克尔逊干涉仪）。 使用两个50:50分束器将准直光束分成两部分，然后将它们在出口处重合在一起。 VirtualLab Fusion可对系统进行详细建模，包括由实际分束器引起的两个90°相移。
本案例中，在VirtualLab Fusion中设置了马赫曾德尔干涉仪， 并演示了样品组件的倾斜和移动如何影响干涉条纹。本案例研究了理想和实际棱镜分束器的不同性能。 实验表明棱镜引入的附加相移导致了互补的干涉图案。
（图1：马赫曾德尔干涉仪；图2：带棱镜分束器的马赫曾德尔干涉仪中互补干涉图案的观察 ）
- Techwiz LCD：LC透镜光线追迹 由于LC透镜具有体积小、焦距可变等优点，因此被认为是光学系统中一个有前途的研究领域。
由于LC材料的折射率可以通过施加电压来调整，所以可以在有限的空间内改变焦距。在LC透镜结构中，可以通过TechWiz Ray 2D和3D计算光程差和焦距，并进行高级LC分析，包括通过施加电压进行LC指向矢分布。
（图1： LC分布和光学路径分析（关状态）；图2： LC分布和光学路径分析（开状态））
- 在VirtualLab Fusion的示例中演示连接场解算器 在现代光学系统中，为了进一步推动我们操纵光的极限，我们使用了许多不同种类的元件。我们开发了新元件并稳定地改进传统设备以获得所需的功能和性能。这常常会增加这些元件和整个系统的复杂性。 VirtualLab Fusion以其快速的物理光学技术，基于不同场解算器的灵活和自动连接，可以对光学系统进行精确建模，并可以对相关效果进行详细分析。
提出了一种全内反射(TIR)棱镜的建模方法。这个装置由两个连接在一起的部分组成。演示了由此产生的窄隙如何引入干涉条纹和渐晕效应。
梯度折射率(GRIN)介质具有平滑的折射率变化，可以用来减少像差。VirtualLab Fusion的场追迹技术为光在GRIN介质中的传播提供了完整的物理光学建模。
（图1：全内反射(TIR)棱镜的建模；图2：GRIN透镜的建模）
