統一化光學(xué)建模設計與分析平臺-VirtualLab快速入門(mén) （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)品設計技術(shù)，它能縮短原型(prototype)產(chǎn)品上市的時(shí)間和花費，可以說(shuō)是各類(lèi)光學(xué)系統產(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)在于以高速計算機計算能力，執行光線(xiàn)追跡(ray tracing)的功能，在產(chǎn)品實(shí)際開(kāi)模制造前，就能預知所研發(fā)設計產(chǎn)品的性能，再比較產(chǎn)品需求規格，據以修正原始設計。本書(shū)即是教導如何使用德國LightTrans公司的VirtualLab軟件，以進(jìn)行光學(xué)仿真設計光學(xué)系統或產(chǎn)品。
市面上絕大多數的光學(xué)仿真軟件，都是以計算機執行所謂的“光線(xiàn)追跡(ray tracing)”的算法則，這在符合“幾何光學(xué)(geometrical optics)”假設的環(huán)境條件下，不失為一簡(jiǎn)單快速的光學(xué)設計模式。然而，隨著(zhù)近代光學(xué)系統產(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)”的微小設計領(lǐng)域，例如太陽(yáng)能電池表面微結構、LED照明微結構等等；這些設計挑戰都接近無(wú)法以 “光線(xiàn)追跡(ray tracing)”算法得到精確的仿真結果。而VirtualLab軟件結合了“光線(xiàn)追跡”和“場(chǎng)追跡(field tracing)”算法，能在所設計的產(chǎn)品尺度，接近或小于光源波長(cháng)時(shí)候，還能保證仿真結果的精確性，這是VirtualLab相較于其他光學(xué)仿真軟件所據有的獨一無(wú)二的功能，此特性正在急遽發(fā)展的微結構光學(xué)設計領(lǐng)域，有其不可或缺的重要性。
德國在光學(xué)設計領(lǐng)域，一向執世界牛耳地位，由德國Jena大學(xué)教授Frank Wyrowski所發(fā)明的VirtualLabTM光學(xué)設計軟件，更是世界級的精品軟件。VirtualLab軟件挾其獨特“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)”的統一光學(xué)建模平臺，此足以讓光學(xué)設計領(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)設計能力不可或缺的工具。而工具的教導使用，如果能有好的教材相配套，當能發(fā)揮其“事半功倍”的效果，這是訊技公司數十年推廣仿真軟件的深切體認，所以由熟悉VirtualLab操作的資深工程師團隊，編譯完成此快速入門(mén)手冊，希望以母語(yǔ)教導的方式，嘉惠更多光學(xué)設計工程師們，能更快、更廣泛的來(lái)學(xué)習此一優(yōu)異的光學(xué)設計軟件�！豪淦鳌坏慕Y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)設計領(lǐng)域，『量變生質(zhì)變』，必然會(huì )產(chǎn)生好的設計，產(chǎn)出關(guān)鍵專(zhuān)利，因而增加產(chǎn)業(yè)與國家的競爭力�；蚰茉诓痪玫膶�(lái)，與歐美日先進(jìn)國家，同躋世界舞臺，成為新能源、新光源光學(xué)設計的王國，當指日可待。
黃忠偉
臺灣科技大學(xué) 光電工程研究所
光電科技中心 光電系統仿真設計實(shí)驗室
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的理論基礎與基本設置 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 探測器 48
第3章 VirtualLabTM的基本操作 64
3.1 用戶(hù)界面結構 64
3.2 光學(xué)系統的創(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)化的雙膠合透鏡對激光束的聚焦特性分析 91
4.1.3參數掃描（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)轉換 116
4.2 光柵工具箱 118
4.2.1光柵內部場(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光圖標的衍射擴散器的優(yōu)化 144
4.3.4 夫瑯禾費衍射 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導入含有熱透鏡的諧振腔分析 162
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