Lumerical & SPEOS Fraunhofer 遠場繞射模擬

遠場繞射(Fraunhofer Diffraction)

此種繞射裝置中,光源到狹縫的距離,與狹縫到屏幕的距離皆非常遠。但實際並非相距無限遠,而是在點光源與狹縫間放置凸透鏡,讓點光源位於凸透鏡上輻射發射球面波光線,經過凸透鏡後變成平面波平行光線,模擬時可設定,平行光入射狹縫,在實驗室內,可以利用平行光束來模擬遠距離的光源到狹縫的情形。

Lumerical & SPEOS 聯合模擬流程

Lumerical的FTDT可模擬微觀的波動光學行為,但在宏觀的幾何光學現象的模擬上會顯得較為吃力,透過腳本的轉換,我們可以在SPEOS中呈現Lumerical的模擬結果,並整合後段的光學成像系統,來呈現完整的遠場繞射模擬結果。

Lumerical模擬設定

考慮光線穿越狹縫造成繞射,波動效果使用Lumerical處理,架構設定如下:

  1. 波長400~700nm平面波光源
  2. 區域內仿真無限延伸板材
  3. 監視器紀錄遠場數值

觀察光線在狹縫近場與遠場表現,監視器紀錄光線在不同波長下,有不同程度的繞射光型分布 (單位|E|² ) According to Parseval’s theorem, for a simple plane wave, the Poynting vector.∝.|E|²    , where E is the electric field.  (理論參考資料來源: ANSYS Learning Forum Ansys Insight: 光學強度、功率、電場強度平方的關係以及電磁能量)

Lumerical腳本轉檔匯入SPEOS

Lumerical可以撰寫腳本並運行,可將模擬之後所得到的,不同波長的繞射光型分布數據,匯整成SPEOS可讀的數據格式,再利用SPEOS的Photometric Lab重現繞射光型。

SPEOS模擬設定

考慮繞射光線由透鏡放大後繞射圖案投影可視化效果,使用SPEOS處理,架構設定:

  1. 平板上具一直徑1μm小孔,光源設定在狹縫出光開口
  2. 繞射光照射於長、寬、厚 8cm x 8cm x 2.5cm n=1.52 凸透鏡
  3. 在黑暗環境中,光線被投射在白牆上觀察

使用Intensity sensor IESNA計算繞射光型,並設定這一個光型在狹縫出口處,做為遠場光線出光面,之後透過載入.xmp檔案的光強分布,將繞射光型可視化。

Lumerical & SPEOS聯合模擬設定

使用Radiance sensor可視化黑暗環境中,繞射光型投影在白牆結果。使用逆追跡可以觀察出最外圍光圈光線,是由透鏡處理某角度的入射光線,折射後所形成的,證實此模擬與實際相符。