1.現(xiàn)代光學(xué)建模仿真的現(xiàn)狀
現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中可能包含有各種類型的光學(xué)元件，如折射透鏡、衍射透鏡、折衍混合透鏡以及漸變折射率透鏡和各種衍射光學(xué)元件，如擴(kuò)束器、整形器、分束器、相位板、光柵以及自由曲面等，同時(shí)還需要使用到各種不同的光源，如相干和部分相干光源，連續(xù)和脈沖光源以及具有各種偏振特性的光源。而一個(gè)高效和完善的光學(xué)建模工具，需要將不同類型的光學(xué)元件以及光源有效的放在同一個(gè)軟件平臺(tái)上進(jìn)行模擬仿真，并獲得高精度的物理結(jié)果，如光學(xué)系統(tǒng)的衍射、干涉、部分相干、像差以及偏振和矢量效應(yīng)等，如圖1所示。
圖1.現(xiàn)代光學(xué)建模的要求
2.場(chǎng)追跡光學(xué)建模平臺(tái)——VirtualLab™
為了解決目前光學(xué)軟件在模擬仿真中的局限性，德國LightTrans公司開發(fā)了場(chǎng)追跡的概念來完成對(duì)不同類型的光學(xué)元件和光源的統(tǒng)一化建模，場(chǎng)追跡方法統(tǒng)一了從幾何光學(xué)到電磁場(chǎng)方法的建模技術(shù)，如應(yīng)用于光場(chǎng)在自由空間傳輸?shù)钠矫娌ㄗV法（SPW）、菲涅爾積分、遠(yuǎn)場(chǎng)積分、幾何場(chǎng)追跡等，應(yīng)用于光場(chǎng)在元件表面?zhèn)鬏數(shù)膬A斜算子、幾何場(chǎng)追跡、薄元逼近（TEA）、分步光束傳輸方法（BPM）、傅里葉模態(tài)法（FMM）、有限元法（FEM）、積分法等，從而保證了對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行精確的建模，從而獲得高精度的物理結(jié)果。
應(yīng)用場(chǎng)追跡概念來進(jìn)行統(tǒng)一化光學(xué)建模與仿真的VirtualLabTM軟件包，其包含有五個(gè)工具箱，分別為基本工具箱（Starter Toolbox）、衍射光學(xué)工具箱（Diffractive Optical Toolbox）、光柵工具箱（Grating Toolbox）以及激光諧振腔工具箱（Laser Resonator Toolbox）和照明工具箱（Lighting Toolbox），如圖2所示。各個(gè)工具箱不僅可以應(yīng)用于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)五個(gè)工具箱又可協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)功能的最大化。
圖2.由左至右：基本工具箱，衍射光學(xué)工具箱，光柵工具箱，激光諧振腔工具箱以及照明工具箱
3.主要功能及應(yīng)用領(lǐng)域
VirtualLabTM的基本工具箱可以模擬各種光學(xué)系統(tǒng)的衍射、干涉、偏振和矢量等效應(yīng)；使用衍射光學(xué)工具箱可以設(shè)計(jì)和優(yōu)化各種衍射光學(xué)元件；使用光柵工具箱可以對(duì)各種類型的光柵進(jìn)行嚴(yán)格的分析；使用激光諧振腔工具箱可以進(jìn)行激光諧振腔的本征模和高階模的計(jì)算和分析；使用照明工具箱可以設(shè)計(jì)緊湊的光學(xué)系統(tǒng)以對(duì)LED光源進(jìn)行光束整形和均勻化。
1).基本工具箱——各類光學(xué)系統(tǒng)模擬仿真的集成
基于統(tǒng)一化場(chǎng)追跡建模方法，基本工具箱既可以模擬激光光學(xué)系統(tǒng)，微光學(xué)系統(tǒng)，衍射光學(xué)和干涉光學(xué)，又可以模擬成像和照明系統(tǒng)并對(duì)超短脈沖，時(shí)間和空間部分相干光以及全息復(fù)原等等進(jìn)行建模，如圖3所示，全息復(fù)原模擬。同時(shí)，基本工具箱提供的用戶自定義功能最大限度的拓展了光學(xué)建模的靈活性和便利性，如圖4所示，使用可編程函數(shù)來模擬空間光調(diào)制器。而對(duì)于其新的參數(shù)運(yùn)行（New Parameter Run和新的參數(shù)優(yōu)化（New Parametric Optimization）兩種優(yōu)化方法。前者可以通過將光學(xué)系統(tǒng)中的參數(shù)（如光源波長，透鏡表面曲率以及元件之間的間距等）作為變量，從而對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化從而獲得期望的結(jié)果；后者可以通過確定期望結(jié)果以及光學(xué)系統(tǒng)的變量從而對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化從而獲得期望的結(jié)果，如圖5所示，使用新的參數(shù)優(yōu)化找出柱透鏡的最佳聚焦長度從而校正半導(dǎo)體激光器光束的像散現(xiàn)象。
圖3.全息圖復(fù)原
圖4.空間光調(diào)制器模擬
圖5 左邊為全發(fā)散角分別為13°和53°的半導(dǎo)體激光的像散波前，右邊為使用新的參數(shù)優(yōu)化后，半導(dǎo)體激光經(jīng)過優(yōu)化后的柱透鏡所獲得的波前（像散幾乎被完全校正了） |
