新一代高速物理光學仿真及其在現(xiàn)代光學中的應用

日期：2017年5月22日（一）下午14：00-17：00

地點：北京市海淀區(qū)中關村南大街5號（北京理工大學中心教學樓634室）

報告人：張斯特先生 德國耶拿大學應用物理研究所 

張斯特先生，自2010年于中山大學物理科學與工程技術學院取得理學學士學位后，即赴德國耶拿大學 (Friedrich-Schiller-Universität Jena) 繼續(xù)光學專業(yè)的碩士學習和研究，期間獲得阿貝光學學院 (Abbe School of Photonics) 獎學金。 

在2013年獲得理學碩士學位后，進入耶拿大學-應用物理研究所 (Institute of Applied Physics) - 應用計算光學組 (Applied Computational Optics Group) 攻讀博士學位，其后發(fā)表期刊論文和會議論文十余篇，同時與應用物理研究所-超快光學組 (Ultrafast Optics Group) 共同開啟聯(lián)合研究題目。

在德國耶拿學習期間，張斯特的研究興趣集中在基于場追跡 (Field Tracing) 的光學模擬和設計，其中既包括基礎的光學問題，如使用平面波分解法計算任意光束在平面界面上的反射和折射，使用傅里葉模態(tài)法計算任意光束在光柵上的衍射；同時也有實用性的課題，如對脈沖光的時間-空間整形分析，基于Fox-Li方法的激光諧振腔橫模計算。 

報告概要 

現(xiàn)代光學中，隨著元件的小型化和系統(tǒng)的集成化，傳統(tǒng)的光線追跡分析時常失效。從本質上講，光作為電磁場，其相干、衍射、矢量性等特征都超出了光線追跡方法處理的范疇。而這些電磁場特性，在現(xiàn)代光學研究和應用中發(fā)揮著愈加重要的作用，這就需要一種可以正確考慮光的電磁場特性的仿真方法。以往，人們處理這類問題時采用的方式常常是沿用光線追跡，然后在光線的基礎上添加關注的額外電磁場信息。但是在我們看來，在已經過度簡化的模型上“硬塞”信息的方式并不符合邏輯。為此，我們已經提出了基于物理光學的場追跡概念，并且推出了基于這一概念的光學仿真軟件VirtualLab Fusion。今天，我們在之前工作的基礎上提出新一代光場追跡。 

與經典一代概念相比，新一代場追跡建立于完全的物理光學基礎之上，其目標是以最高效的方式求解Maxwell方程并以此方式對整個光學系統(tǒng)進行仿真。對于光學系統(tǒng)中的不同部分，我們使用不同的域（如時間域、頻率域、空間頻率域等）來描述對應物理過程以最優(yōu)化仿真效率。通過再在各域之間變換，以達到整個光學系統(tǒng)的高效仿真。我們將使用“Field Tracing Diagram”的形式闡明各域內的操作算符以及它們之間的變換關系。 

以電磁場在均勻介質中的傳播為例，該物理過程在空間頻率域中可簡潔的表示為點對點的乘積形式，且是嚴格精確的表示；反之，若要在真實空間域描述該過程則需要用到積分形式，往往還是經過近似后的結果。以數(shù)值計算的角度來看，空間頻率域內點對點的乘積自然要比積分形式高效得多。因此，新一代場追跡中均勻介質中的傳播將統(tǒng)一化的在空間頻率域操作。 

為了高效的連接真實空間與空間頻率域，我們在新一代場追跡技術中加入了革新性的高效傅里葉變換：半解析傅里葉變換和幾何傅里葉變換。結合使用這兩種高效傅里葉變換，即使是高數(shù)值孔徑大發(fā)散角的情況下，物理光學仿真也可高效完成。這是前代場追跡并不能勝任的。 

除上述革新之外，我們還新增了非序列場追跡仿真技術。為應對光波導以及基于光波導的先進光學系統(tǒng)，如近眼顯示設備，光在元件內以及元件間往復的、非序列的傳播過程必須正確處理。在此種情況下，新一代場追跡使用“Light Path Finder”自動探出給定結構對應的可能光路，結合實際應用條件（如光柵衍射效率、探測器位置等）確定需要仿真的光路。除了光波導結構，新一代的非序列場追跡技術在諧振腔仿真中也有重要意義。 

基于新一代場追跡概念，我們將展示其在 

1. 激光光束傳遞

2.  激光掃描

3. 光學測量

4. 基于平面波導與光柵的近眼顯示

5. 光學軌道角動量生成與利用

6. 矢量光束與空間結構光束的傳播

7. 超短激光脈沖 

等現(xiàn)代光學系統(tǒng)中的應用示例。