統(tǒng)一化光學(xué)建模設(shè)計(jì)與分析平臺(tái)-VirtualLab快速入門 （2014修訂版）
序言
光學(xué)仿真已經(jīng)是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍采用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，它能縮短原型(prototype)產(chǎn)品上市的時(shí)間和花費(fèi)，可以說(shuō)是各類光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)商品化的促成科技(enabling technology)。更精確地說(shuō)，光學(xué)仿真的核心技術(shù)在于以高速計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，執(zhí)行光線追跡(ray tracing)的功能，在產(chǎn)品實(shí)際開(kāi)模制造前，就能預(yù)知所研發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，再比較產(chǎn)品需求規(guī)格，據(jù)以修正原始設(shè)計(jì)。本書即是教導(dǎo)如何使用德國(guó)LightTrans公司的VirtualLab軟件，以進(jìn)行光學(xué)仿真設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)或產(chǎn)品。
市面上絕大多數(shù)的光學(xué)仿真軟件，都是以計(jì)算機(jī)執(zhí)行所謂的“光線追跡(ray tracing)”的算法則，這在符合“幾何光學(xué)(geometrical optics)”假設(shè)的環(huán)境條件下，不失為一簡(jiǎn)單快速的光學(xué)設(shè)計(jì)模式。然而，隨著近代光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展，許多的光學(xué)組件特質(zhì)，已經(jīng)由幾何光學(xué)的范疇，逐漸進(jìn)入“波動(dòng)光學(xué)(wave optics)”的微小設(shè)計(jì)領(lǐng)域，例如太陽(yáng)能電池表面微結(jié)構(gòu)、LED照明微結(jié)構(gòu)等等；這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都接近無(wú)法以 “光線追跡(ray tracing)”算法得到精確的仿真結(jié)果。而VirtualLab軟件結(jié)合了“光線追跡”和“場(chǎng)追跡(field tracing)”算法，能在所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品尺度，接近或小于光源波長(zhǎng)時(shí)候，還能保證仿真結(jié)果的精確性，這是VirtualLab相較于其他光學(xué)仿真軟件所據(jù)有的獨(dú)一無(wú)二的功能，此特性正在急遽發(fā)展的微結(jié)構(gòu)光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，有其不可或缺的重要性。
德國(guó)在光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，一向執(zhí)世界牛耳地位，由德國(guó)Jena大學(xué)教授Frank Wyrowski所發(fā)明的VirtualLabTM光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，更是世界級(jí)的精品軟件。VirtualLab軟件挾其獨(dú)特“場(chǎng)追跡(field tracing)”算法，快速地每月軟件功能更新的速度，成為唯一涵蓋“幾何光學(xué)”與“波動(dòng)光學(xué)”的統(tǒng)一光學(xué)建模平臺(tái)，此足以讓光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工程人員奉為圭寶，尤其能在紅火發(fā)展的新能源、新光源產(chǎn)業(yè)，發(fā)揮光學(xué)設(shè)計(jì)能力不可或缺的工具。而工具的教導(dǎo)使用，如果能有好的教材相配套，當(dāng)能發(fā)揮其“事半功倍”的效果，這是訊技公司數(shù)十年推廣仿真軟件的深切體認(rèn)，所以由熟悉VirtualLab操作的資深工程師團(tuán)隊(duì)，編譯完成此快速入門手冊(cè)，希望以母語(yǔ)教導(dǎo)的方式，嘉惠更多光學(xué)設(shè)計(jì)工程師們，能更快、更廣泛的來(lái)學(xué)習(xí)此一優(yōu)異的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件�！豪淦鳌坏慕Y(jié)果必能『善其事』，能有大量人才投入蓬勃發(fā)展的新光源、新能源光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，『量變生質(zhì)變』，必然會(huì)產(chǎn)生好的設(shè)計(jì)，產(chǎn)出關(guān)鍵專利，因而增加產(chǎn)業(yè)與國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力�；蚰茉诓痪玫膶�(lái)，與歐美日先進(jìn)國(guó)家，同躋世界舞臺(tái)，成為新能源、新光源光學(xué)設(shè)計(jì)的王國(guó)，當(dāng)指日可待。
黃忠偉
臺(tái)灣科技大學(xué) 光電工程研究所
光電科技中心 光電系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室
2011 03 01
目錄
序言 1
Preface 3
前言 5
第1章 VirtualLabTM概述 7
1.1 什么是VirtualLabTM？ 7
1.2 VirtualLabTM的安裝與啟動(dòng) 12
第2章 VirtualLabTM的理論基礎(chǔ)與基本設(shè)置 21
2.1 電磁簡(jiǎn)諧波場(chǎng) 21
2.2 傳輸算子 24
2.3 光源 27
2.4 光學(xué)元件 38
2.5 探測(cè)器 48
第3章 VirtualLabTM的基本操作 64
3.1 用戶界面結(jié)構(gòu) 64
3.2 光學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)建方法 67
第4章 案例錦集 80
4.1 基本工具箱 80
4.1.1 Donut光源研究 80
4.1.2 通過(guò)ZEMAX優(yōu)化的雙膠合透鏡對(duì)激光束的聚焦特性分析 91
4.1.3參數(shù)掃描（Parameter Run） 94
4.1.4飛秒激光脈沖的聚焦特性研究 100
4.1.5 邁克爾遜干涉儀 112
4.1.6 光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換 116
4.2 光柵工具箱 118
4.2.1光柵內(nèi)部場(chǎng)分析 118
4.2.2刻面傾斜的鍍膜光柵分析 120
4.2.3 精確分析1:6分束器 127
4.3 衍射工具箱 130
4.3.1用于產(chǎn)生矩形漫射分布（平頂）的衍射光學(xué)元件的優(yōu)化 130
4.3.2 2D光圖標(biāo)的衍射擴(kuò)散器的優(yōu)化 144
4.3.4 夫瑯禾費(fèi)衍射 153
4.4 激光諧振腔工具箱 156
4.4.1諧振腔本征模式分析 156
4.4.2諧振腔公差分析 159
4.4.3從LASCAD導(dǎo)入含有熱透鏡的諧振腔分析 162
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