Photonics

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球面波光源在玻璃板内的情况如何仿真?

    • pengrenjuddd
      Subscriber

      老师好,我想仿真一束会聚球面波通过玻璃板且聚焦于玻璃板与空气的交界面的情况。其中波长为248nm,玻璃板的厚度为3mm,折射率取n=1.5。在这种情况下我将玻璃板视为无限厚,光源位于玻璃板内部。但仿真结果和预想偏差较大。  

      1.首先仿真无玻璃板的情况,如下图所示,光源位于z=-3μm平面,NA=0.5,distance from focus=-3μm,监视器位于z=0平面,其中xy的边界条件选择Bloch的原因是后续会添加周期结构工件且需要考虑斜照明情况。此时仿真结果与预想一致,为一个很小的艾里斑。

      2.添加玻璃板,玻璃板下表面z=-5μm,超过了计算区域,上表面z=0μm,表示光源位于玻璃板内,且监视器位于玻璃板与空气的分界面,如下图所示,其他参数不变,但是光斑与艾里斑相差很大。

      3.考虑光的折射,我以为光源设置选项里的参数都是基于真空环境,所以考虑引入折射效应,代入斯涅耳公式计算了折射角,再计算了折射后的焦距,结果依然不对。

      所以请问老师应该这种情况该如何处理?

       

    • Guilin Sun
      Ansys Employee

      我看到你的结果很好啊,考虑折射是对的,但是你有考虑不同入射角有不成比例的透射角吗?这就导致了衍射斑的畸变。你把折射光线反向延长,看看它们的焦点在不在同一个平面上?这就是像差,所以要设计复杂的透镜系统来实现对光束的控制。你有时间自己多做一些折射光线计算,看看用几何光学角度会是什么结果,另外还要考虑现在是矢量光学有衍射呢。

      • pengrenjuddd
        Subscriber

        谢谢孙老师,所以现在关键问题是高斯光源里的‘distance from focus’指的是真空中的距离,还是光在给定介质(例如平板玻璃)中的距离?如果是前者,那么从几何光学的角度分析,代入斯涅耳定律如下图所示,之前的反常现象也能解释了。

    • Guilin Sun
      Ansys Employee

       

      这是一个很好的问题!

      原则上应该是指介质中的距离。但是在软件设计时可能根本没有考虑在介质中这个问题,因为实际的高斯光束都是在空气中的,所以我考虑可能根本没有考虑材料折射率问题。

      所以,将高斯光设置在介质中,可能根本就不成立。实际激光一定要从激光器发射出来,如果有其它介质直接粘在激光器一端的反射镜,那么结果会有改变的。

      因此,可能你不应该将激光直接设置在介质中。如果实际情况是激光束从基底下面如何,那可能需要用几何光学软件计算,最后将结果输入进来做光源。介质中不可能有理想的高斯光。

      以上请参考。

       

      • pengrenjuddd
        Subscriber

        谢谢孙老师!我需要仿真的情况是会聚球面波通过一个厚3mm的石英基底,然后在基底另一表面,周期为微米级的光栅处衍射。目前来看,只能通过几何光学或者标量衍射方法计算光通过石英基底到达光栅附近的电场分布,然后将其作为input source输入到FDTD Solutions中。只是我比较担心这种方式不如矢量方法精确,会有较大的系统误差

    • Guilin Sun
      Ansys Employee

      理解。只是你用理想NA光在介质中也不符合实际实验条件啊。你找一下看看有没有解析的近似结果可以用。这个看似简单,实际涉及的问题还比较多。另外一个办法可能会作为你课题的一部分,将高斯光分解为不同的远场平面波叠加,然后就每个平面波通过空气-介质界面折射传播,再在指定的地方将它们合成。NA光源实际上就是用不同平面波实现的,参见这个网页里面的参考文献:https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360034382854-Plane-wave-and-beam-source-Simulation-object

      • pengrenjuddd
        Subscriber

        好的,谢谢孙老师

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