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学术报告:新一代高速物理光学仿真及其

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学术报告:新一代高速物理光学仿真及其在现代光学中的应用
时间:2017-05-17 16:17来源:黉论教育作者: 黉论点击:打印
日期2017年5月22日(一)下午14:00-17:00
地点:北京市海淀区中关村南大街5号(北京理工大学中心教学楼634室)
报告人:张斯特先生     德国耶拿大学应用物理研究所
 
张斯特先生,自2010年于中山大学物理科学与工程技术学院取得理学学士学位后,即赴德国耶拿大学 (Friedrich-Schiller-Universität Jena) 继续光学专业的硕士学习和研究,期间获得阿贝光学学院 (Abbe School of Photonics) 奖学金。
 
在2013年获得理学硕士学位后,进入耶拿大学-应用物理研究所 (Institute of Applied Physics) - 应用计算光学组 (Applied Computational Optics Group) 攻读博士学位,其后发表期刊论文和会议论文十余篇,同时与应用物理研究所-超快光学组 (Ultrafast Optics Group) 共同开启联合研究题目。
在德国耶拿学习期间,张斯特的研究兴趣集中在基于场追迹 (Field Tracing) 的光学模拟和设计,其中既包括基础的光学问题,如使用平面波分解法计算任意光束在平面界面上的反射和折射,使用傅里叶模态法计算任意光束在光栅上的衍射;同时也有实用性的课题,如对脉冲光的时间-空间整形分析,基于Fox-Li方法的激光谐振腔横模计算。
 
报告概要
 
现代光学中,随着元件的小型化和系统的集成化,传统的光线追迹分析时常失效。从本质上讲,光作为电磁场,其相干、衍射、矢量性等特征都超出了光线追迹方法处理的范畴。而这些电磁场特性,在现代光学研究和应用中发挥着愈加重要的作用,这就需要一种可以正确考虑光的电磁场特性的仿真方法。以往,人们处理这类问题时采用的方式常常是沿用光线追迹,然后在光线的基础上添加关注的额外电磁场信息。但是在我们看来,在已经过度简化的模型上“硬塞”信息的方式并不符合逻辑。为此,我们已经提出了基于物理光学的场追迹概念,并且推出了基于这一概念的光学仿真软件VirtualLab Fusion。今天,我们在之前工作的基础上提出新一代光场追迹。
 
与经典一代概念相比,新一代场追迹建立于完全的物理光学基础之上,其目标是以最高效的方式求解Maxwell方程并以此方式对整个光学系统进行仿真。对于光学系统中的不同部分,我们使用不同的域(如时间域、频率域、空间频率域等)来描述对应物理过程以最优化仿真效率。通过再在各域之间变换,以达到整个光学系统的高效仿真。我们将使用“Field Tracing Diagram”的形式阐明各域内的操作算符以及它们之间的变换关系。
 
以电磁场在均匀介质中的传播为例,该物理过程在空间频率域中可简洁的表示为点对点的乘积形式,且是严格精确的表示;反之,若要在真实空间域描述该过程则需要用到积分形式,往往还是经过近似后的结果。以数值计算的角度来看,空间频率域内点对点的乘积自然要比积分形式高效得多。因此,新一代场追迹中均匀介质中的传播将统一化的在空间频率域操作。
 
为了高效的连接真实空间与空间频率域,我们在新一代场追迹技术中加入了革新性的高效傅里叶变换:半解析傅里叶变换和几何傅里叶变换。结合使用这两种高效傅里叶变换,即使是高数值孔径大发散角的情况下,物理光学仿真也可高效完成。这是前代场追迹并不能胜任的。
 
除上述革新之外,我们还新增了非序列场追迹仿真技术。为应对光波导以及基于光波导的先进光学系统,如近眼显示设备,光在元件内以及元件间往复的、非序列的传播过程必须正确处理。在此种情况下,新一代场追迹使用“Light Path Finder”自动探出给定结构对应的可能光路,结合实际应用条件(如光栅衍射效率、探测器位置等)确定需要仿真的光路。除了光波导结构,新一代的非序列场追迹技术在谐振腔仿真中也有重要意义。
 
基于新一代场追迹概念,我们将展示其在
 
激光光束传递
激光扫描
光学测量
基于平面波导与光栅的近眼显示
光学轨道角动量生成与利用
矢量光束与空间结构光束的传播
超短激光脉冲
 
等现代光学系统中的应用示例