VirtualLab Fusion入門與進階實用教程

前言

現(xiàn)代光學系統(tǒng)包含了不同類型的光學元件，如折射、衍射、微透鏡陣列、光柵以及全息和自由曲面等；元件尺寸的跨度可能從納米量級到米量級。同時，系統(tǒng)的光源也可能是不同的類型，如連續(xù)光源或脈沖光源、相干或部分相干光源等。有效的光學模擬需要對復雜光學系統(tǒng)中的光源及光學元件精確建模，從而實現(xiàn)各種光學效應的仿真再現(xiàn)，如干涉、衍射、相干、偏振以及矢量效應等。

現(xiàn)代光學建模技術包含了幾何光學和物理光學兩大領域，幾何光學以費馬原理為基礎，通過折反定律來進行光線追跡，能夠快速實現(xiàn)整個系統(tǒng)地仿真，但忽略了衍射和矢量等波動光學效應；物理光學通常以求解麥克斯韋方程組為主，如使用FDTD或者FEM等通用的全局麥克斯韋仿真求解器對整個系統(tǒng)進行求解，從而獲得完整的電磁場信息，但由于計算量大而無法對整個復雜系統(tǒng)進行仿真。

為了滿足現(xiàn)代光學系統(tǒng)的建模需求，德國耶拿大學Prof. Wyrowski Frank開發(fā)了高速物理光學仿真軟件——VirtualLab Fusion，其集成了從幾何光學到物理光學的各種建模技術，如幾何光學算子、平面波角譜法、瑞麗索墨菲算子、薄元近似和傅里葉模態(tài)法等，既能夠使用第二代場追跡或經典場追跡，從物理光學角度進行快速地仿真；也可以使用傳統(tǒng)的光線追跡，對系統(tǒng)進行分析。在VirtualLab中，我們根據場追跡的概念將系統(tǒng)分解成不同的區(qū)域，并選擇合適的麥克斯韋仿真求解器（建模技術）進行求解，之后通過序列或非序列方式將各個區(qū)域連接起來，從而達到對整個系統(tǒng)中求解麥克斯韋方程組的效果，以獲得完整的電磁場信息。另外，在7.3版本中我們引入了多種傅里葉變換算法，如經典的快速傅里葉變換、半解析傅里葉變換以及幾何傅里葉變換以實現(xiàn)不同類型光場在實際域與頻率域間的快速轉換，這也進一步提高了模擬的效率。

目前，VirtualLab Fusion的光場追跡概念正在被越來越多的高校、研究所以及企業(yè)所接受，為了滿足越來越多用戶地學習需求，訊技特推出了《VirtualLab Fusion入門與進階實用教程》書籍，書中既包含了建模理論的介紹，又包含了大量逐步講解的實用案例，包羅了光學成像、激光傳輸、光學測量以及光束整形等領域。

期望通過此書，能夠幫助用戶快速地學習和掌握VirtualLab Fusion軟件，享受其為光學建模和仿真所帶來的便利與樂趣。

感謝訊技的工程師們在此書的編撰過程中所付出的努力，由于時間有限，書中難免會有不足之處，還請各位同行及用戶不吝指正。書中自帶光盤中有軟件試用安裝程序及各章的案例，有興趣讀者可依次深入研究，若有任何問題，可隨時與我們聯(lián)系。

目 錄

第一章 VirtualLab Fusion理論基礎 1

1.1 幾何光學和光線追跡 11.2 物理光學和光場追跡 1

1.2.1 統(tǒng)一場追跡 31.2.2 第二代場追跡 6

第二章 VirtualLab Fusion安裝與更新 102.1 VirtualLab 版本說明及系統(tǒng)配置要求 10

2.2 VirtualLab安裝與更新 112.3 安裝過程中可能遇到的問題 18

2.4 Windows高級系統(tǒng)設置推薦 222.5 C2V文件導出和V2C文件導入 23

第三章 VirtualLab Fusion快速入門 263.1 VLF圖形用戶界面介紹 26

3.2 光源 303.2.1 基本參數(shù)（Basic Parameters） 31

3.2.2 光譜參數(shù)（Spectral Parameters） 333.2.3 空間參數(shù)（Spatial Parameters） 35

3.2.4 偏振（Polarization） 373.2.5 模式選擇（Mode Selection） 38

3.2.6 采樣（Sampling） 393.2.7 光線選擇（Ray Selection） 40

3.3 光學元件 413.3.1 真實光學元件編輯對話框 41

3.3.2 球透鏡（Spherical Lens） 443.3.3 衍射光學元件（Diffractive Optical Element） 45

3.3.4 單光學界面（Single Optical Interface） 463.3.5 光學界面序列（Optical Interface Sequence） 46

3.3.6 其它類型光學元件 483.4 探測器 48

3.4.1 探測器通用界面 483.4.2 光路圖內的探測器 50

3.4.3 諧波場和諧波場集探測器 523.4.4 數(shù)值陣列探測器 52

3.5 分析器 533.6 計算器 54

3.7 元件的位置和方向 543.7.1 光路元件 55

3.7.2 元件位置的定義 553.7.3 位置和方向確定規(guī)則 56

3.7.4 方向與位置的坐標系統(tǒng) 563.7.5 輸出通道的方向 57

3.7.6 輸出通道的自動方向 573.7.7 坐標斷點元件 58

3.7.8 位置和方向設置 583.7.9 光路視圖（定位） 60

3.7.10 角度定義 613.7.11 基本位置/方向與獨立位置/方向的對比：移動 63

3.7.12 基本位置/方向與獨立位置/方向的對比：傾斜 643.8 光路圖（Light Path Diagram） 64

3.8.1 新建光路圖 643.8.2 生成光路視圖&光路編輯窗口 65

3.8.3 光路視圖 663.8.4 光路編輯器 67

3.9 三種模擬引擎 703.9.1 球透鏡聚焦系統(tǒng) 70

3.9.2 三種引擎結果對比 713.10 參數(shù)運行（Parameter Run） 73

3.10.1 創(chuàng)建參數(shù)運行 733.10.2 參數(shù)指定界面 73

3.10.3 使用模式 743.10.4 探測器指定界面 75

3.10.5 結果界面 753.10.6 合并輸出 76

3.10.7 并行化和數(shù)據量 763.11 參數(shù)優(yōu)化（Parameter Optimization） 76

3.11.1 創(chuàng)建參數(shù)優(yōu)化 773.11.2 參數(shù)指定界面 77

3.11.3 探測器指定界面 783.11.4 參數(shù)約束窗口 78

3.11.5 通用設置窗口 783.11.6 結果界面 79

3.12 參數(shù)優(yōu)化和參數(shù)運行的應用 79第四章 光學成像系統(tǒng) 96

4.1 慧差的模擬 964.1.1 慧差概念 96

4.1.2 澤尼克多項式與塞德爾像差 964.1.3 慧差的模擬 97

4.2  F/4施密特望遠鏡波動光學分析 1004.2.1 模擬任務 100

4.2.2 模型構建 1004.3 雙合消色差透鏡優(yōu)化設計 103

4.3.1 模擬任務 1044.3.2 模型構建 105

4.4 包含光柵元件的成像分析 1094.4.1 系統(tǒng)描述 109

4.4.2 模型構建 1104.5 高級PSF和MTF計算 117

4.5.1 模擬任務 1184.5.2 模型構建 119

4.6 利用衍射透鏡校正色差 1244.6.1 模擬任務 124

4.6.2 模型構建 1244.7 研究鬼像在準直系統(tǒng)中的影響 131

4.7.1 模擬任務 1314.7.2 模型構建 132

第五章 激光系統(tǒng) 1375.1 光束傳輸 137

5.1.1 利用物鏡對激光二極管像散光束進行準直的分析 1375.1.2 非球面透鏡后的聚焦研究 145

5.2 掃描系統(tǒng) 1565.2.1 對使用非球面透鏡的激光掃描系統(tǒng)進行性能分析 156

5.3 FS脈沖建模 1765.3.1 使用一個高數(shù)值孔徑離軸拋物面反射鏡對飛秒脈沖聚焦 177

5.4 晶體建模 1825.4.1 激光晶體中壓力誘導的雙折射 183

第六章 光學測量 1906.1 干涉儀模擬仿真 190

6.1.1 使用相干光的馬赫-澤德干涉儀 1906.1.2 白光邁克爾遜干涉儀 202

6.1.3 F-P干涉儀 2206.2  顯微鏡模擬仿真 228

6.2.1 高數(shù)值孔徑顯微鏡模擬仿真及研究 2286.3  單色儀和光譜儀模擬仿真 239

6.3.1 切爾尼-特納單色儀—衍射效率分析 2396.3.2 切爾尼-特納光譜儀—光譜分辨率及鈉雙譜線分析 250

第七章 光束整形 2567.1 折射光學 256

7.1.1 設計一個折射光束整形器以生成一個圓形高帽光 2567.2 衍射光學 266

7.2.1 規(guī)則分束器設計、結構生成及結構導出 2667.2.2 將高斯光束整形成Donut模式 283

7.3 擴散器 2947.3.1 設計一個擴散器以生成一個INFOTEK標志 295

7.3.2 設計一個線性擴散器以生成線性聚焦光場 3007.4 應用單元陣列結構實現(xiàn)光束整形 307

7.4.1 應用棱鏡/光柵/反射鏡單元陣列對白光進行整形 307