Introduction à VirtualLab

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1 Introduction à VirtualLab David BATTE, Scoptique Matinale OpticsValley : 14 octobre 2014 Sommaire Section Description Diapositives 1. Introduction au Tracé de Champ 2. Introduction aux Techniques de Tracé de Champ VirtualLab Moyens de Représentation et de Propagation de la Lumière Evolution des Besoins de Modélisation : Sources, Surfaces, Détecteurs La Modélisation Optique Unifiée et le Tracé de Champ Techniques de Propagation en Espace Libre Sélection Automatique de la Méthode de Propagation Autres Techniques de Propagation

2 Sommaire Section Description Diapositives 3. Introduction aux fonctionnalités de VirtualLab Les Toolbox VirtualLab Introduction à l Interface Utilisateur VirtualLab Exemples d utilisations de VirtualLab Conclusion sur les Possibilités de VirtualLab Introduction au Tracé de Champ VirtualLab VirtualLab propose la Nouvelle Génération de Logiciel de Modélisation Optique 2

3 1. Introduction au Tracé de Champ VirtualLab Moyens de Représentation et de Propagation de la Lumière La Modélisation Optique La distribution de la lumière dans le plan source est donnée. Une distribution dans le plan du détecteur est à requise. La fonction optique du système doit être évaluée. 3

4 Challenges : Modélisation de la Source Modélisation de la source: La lumière dans le plan source doit être représentée de manière appropriée. Challenges: Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation de la lumière: La distribution initiale de la lumière doit être propagée à travers le système de manière à obtenir la distribution souhaitée dans le plan du détecteur (ou dans une autre region du système) 4

5 Challenges: Détection Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière : La lumière dans le plan cible doit être représentée de manière à permettre l analyse de fonctions mérites. Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Detection de la lumière Les moyens de Représentation et de Propagation de la lumière sont les DEUX choix essentiels devant être effectués pour la modélisation et le design optique 5

6 Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière Tracé de Rayons Représentation de la lumière: Faisceaux de Rayons Propagation de la lumière: Optique Géométique Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière Modélisation Rigoureuse Electromagnétique Représentation de la lumière: Champ Electromagnétique 6

7 Représentation du Champ Electromagnétique Les harmoniques du champs électromagnétique sont complètement décrites par les 6 composantes du champs életrique et du champ magnétique : Dans un milieu homogène et isotrope, seul DEUX de ces composantes sont indépendantes. Typiquement les composantes x- et y- du champ életrique sont sélectionnées. Les 4 autres composantes découlent des deux premières. Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière Modélisation Rigoureuse Electromagnétique Représentation de la lumière: Champ Electromagnétique Propagation: Solutions rigoureuses des équations de Maxwell. Ex: FEM, FMM, et FDTD. 7

8 1. Introduction au Tracé de Champ VirtualLab Evolution des Besoins de Modélisation : Sources, Surfaces, Détecteurs Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière Quels sont les besoins en terme de Représentation et de Propagation de la lumière Pour relever les défis actuels et futur en modélisation et design optique? 8

9 Tendances: Sources Nombre croissant de types de sources de lumière allant des sources : Spatiallement cohérentes à incohérentes Non poralisées à poralisées Continues(CW)/stationnaires aux impulsions fs À bandes étroites aux bandes larges Des rayons X aux infrarouges Représentation de la lumière Les Faisceaux de Rayons permettent de répondre à un certains nombre de situations. Les champs électromagnétiques permettent de répondre à toutes les situations. Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière Quels sont les besoins en terme de Représentation et de Propagation de la lumière Pour relever les défis actuels et futur en modélisation et design optique? 9

10 Tendances: Détecteurs Les designs optiques innovants exigent souvent d avoir un accès à certaines données (pour la fonction de mérite) tels que: Amplitude et la Phase du champ Polarization, Ex: vecteurs de Jones, de Stokes Le Degré de polarization et de coherence Vecteurs de Poynting, flux d énergie Durée d impulsion, Représentation de la lumière Les Faisceaux de Rayons permettent de répondre à un certains nombre de situations. Les champs électromagnétiques permettent de répondre à toutes les situations. Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière Quels sont les besoins en terme de Représentation et de Propagation de la lumière Pour relever les défis actuels et futur en modélisation et design optique? 10

11 Tendances : Technologie Optique Très grande variété de types de surfaces optiques: Surfaces free-form lisses Tendances : Technologie Optique Très grande variété de types de surfaces optiques: Surfaces free-form lisses Surfaces micro-structurées 11

12 Tendances : Technologie Optique Très grande variété de types de surfaces optiques: Surfaces free-form lisses Surfaces micro-structurées Surface multi-niveaux Tendances : Technologie Optique Très grande variété de types de surfaces optiques: Surfaces free-form lisses Surfaces micro-structurées Surface multi-niveaux Composants miniaturisés Des surfaces avec différentes tailles de structures peuvent être combinées dans un même système optique. Peux-t on utiliser un seule technique de modélisation pour toutes ces surfaces? 12

13 1. Introduction au Tracé de Champ VirtualLab La Modélisation Optique Unifiée et le Tracé de Champ Modélisation par le Tracé de Rayon Light Source Detector Tracé de Rayon? 13

14 Modélisation Rigoureuse (FEM, FDTD,.. ) Light Source Detector Solution électromagnétique rigoureuse des équations de Maxwell? Modélisation Rigoureuse de l Ensemble du Système Optique? Avec la technologie PC actuelle : La modélisation rigoureuse est restreinte au volume du système : V = (100 l) 3 = (100 µm) 3 Une modélisation rigoureuse de systèmes optiques complets n est pas envisageable! 14

15 Modélisation Rigoureuse (FEM, FDTD,.. ) Light Source Detector Solution électromagnétique rigoureuse des équations de Maxwell? Modélisation Rigoureuse (FEM, FDTD,.. ) Light Source Detector Solution électromagnétique rigoureuse des équations de Maxwell? 15

16 Modélisation Optique Unifiée Light Source Detector Différentes Techniques de Modélisation comprenant Optique Géométrique Optique Physique Représentation du Champ pour la Modélisation Optique Unifiée La possibilité de pouvoir combiner tous les types possibles de techniques de modélisation exige : La Représentation de la Lumière par des champs électromagnétiques Sans quoi il est impossible d utiliser des méthodes de propagation rigoureuses dans des parties du système. 16

17 Combinaison de Techniques de Modélisation Modélisation Optique Unifiée Optique Géométrique Thin element approximation (TEA) Beam propagation method (BPM) Finite difference time domain (FDTD) Layer matrices Finite element method (FEM) Fresnel integral Rigorous coupled wave approach (RCWA) et plus Spectrum of plane waves (SPW) Fourier modal method (FMM) Combinaison de Techniques de Modélisation Modélisation Optique Unifiée Optique Géométrique Thin element approximation (TEA) Beam propagation method (BPM) Finite difference time domain (FDTD) Layer matrices Finite element method (FEM) Fresnel integral Rigorous coupled wave approach (RCWA) et plus Spectrum of plane waves (SPW) Fourier modal method (FMM) 17

18 Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière Quels sont les besoins en terme de Représentation et de Propagation de la lumière Pour relever les défis actuels et futur en modélisation et design optique? Représentation et Propagation de la lumière Modélisation de la Source Propagation Détection de la lumière Le Tracé de Champ Représentation de la lumière: Le Champ électromagnétique Propagation de la lumière: Combinaisons des solutions rigoureuses et approchées des équations de Maxwell pour les différentes regions du système. 18

19 Concept du Tracé de Champ Source Détecteur Le système est divisé en sous-domaines Concept du Tracé de Champ Le Champ Source est connu Les champs aux frontières sont ensuite calculés Le système est divisé en sections Pour chaque section les équations de Maxwell sont résolues avec une technique vectorielle qui assure une précision suffisante pour un effort de calcul minimum! 19

20 Concept du Tracé de Champ Le Champ Source est connu Les champs aux frontières sont ensuite calculés Le système est divisé en sections Le Tracé de Champ produit des résutats entièrement vectoriel aussi précis que demandé et aussi rapide que possible La Modélisation avec le Tracé de Champ A la place des faisceaux de rayons, sont traces à travers le système. 20

21 Field Tracing with VirtualLab VirtualLab est le premier et le seul Traceur de Champ sur le marché 2. Introduction aux Techniques de Tracé de Champ VirtualLab VirtualLab propose la Nouvelle Génération de Logiciel de Modélisation Optique 21

22 2. Introduction aux Techniques de Tracé de Champ VirtualLab Techniques de Propagation en Espace Libre Techniques de Tracé de Champ présentes sous VirtualLab Propagation en espace libre 22

23 Opérateurs de Propagation : Milieu Homogène Propagation en espace libre Propagation en espace libre Valeurs incidentes de champ Valeurs de champ dans le plan cible Solutions rigoureuses: SPW : Spectrum-of-plane waves intégrale de Rayleigh-Sommerfeld Solutions approchées: intégrale de Fresnel (paraxial) intégrale en champ lointain optique géométrique Avec la modélisation optique unifiée, on utilise pour chaque region la technique donnant le meilleur compromis entre effort de calcul et precision. 23

24 Techniques de Tracé de Champ présentes actuellement sous VirtualLab Propagation en espace libre SPW : Spectrum of plane wave integral Intégrale de Fresnel Intégrale en Champ Lointain Optique Géométrique en espace libre Sélection automatique de l opérateur Optique Géométrique pour le Tracé de Champ L Optique Géométrique a été et reste une technique de modéliation essentielle dans le design de systèmes optiques. Tracé de Rayons: l Optique Géométrique appliquée au trace de faisceaux lumineux. Tracé de Champ: l Optique Géométrique est appliqué pour tracer les harmoniques des champs électromagnétiques. Le Tracé de Champ de l Optique Géométrique doit être développé. 24

25 Optique Géométrique pour le Tracé de Champ Le champ est décomposé en sous-champs, qui sont propagés par l Optique Géométrique. L Optique Géométrique dansvirtuallab Le Tracé de Champ de l Optique Géométrique est implémenté dans le traceur de champs VirtualLab. more 25

26 Exemple de modélisation 5 mm f = 1.73 mm Focalisation NA=0.68? Faisceau laser Lentille asphérique Plan focal Qualité de la lentille? Résultat par le Tracé de Rayons 26

27 Résultat par le Tracé de Rayons Modélisation par le Tracé de Champ 5 mm f = 1.73 mm? Optique Optique Géométrique Physique 27

28 Champ Electrique dans le plan focal: Amplitudes x-component y-component z-component 1 1/85 1/ Introduction aux Techniques de Tracé de Champ VirtualLab Sélection Automatique de l Opérateur de Propagation en Espace Libre 28

29 Techniques de Tracé de Champ présentes actuellement sous VirtualLab Propagation en espace libre SPW : Spectrum of plane wave integral Intégrale de Fresnel Intégrale en Champ Lointain Optique Géométrique en espace libre Sélection automatique de l opérateur Propagation en espace libre Il faut sélectionner un opérateur qui donne une precision sufissante pour un effort de calcul La solution n est pas évidente: la méthode SPW a une erreur de 0.0 mais dépasse les limites de mémoire pour les grande distance de propagation. VirtualLab fournit la solution. 29

30 Sélection Automatique : Exemple Super Gaussien Lentille idéale Lentille idéale Ecran Sélection Automatique de l Opérateur Peux t on deviner le meilleur choix des opérateurs de propagation requis? Sélection Automatique : Exemple Super Gaussien Lentille idéale Lentille idéale Ecran SPW Fresnel Optique Géométrique 30

31 2. Introduction aux Techniques de Tracé de Champ VirtualLab Techniques de Propagation Techniques de Tracé de Champ présentes actuellement sous VirtualLab Propagation en espace libre SPW : Spectrum of plane wave integral Intégrale de Fresnel Intégrale en Champ Lointain Optique Géométrique en espace libre Sélection automatique de l opérateur GeOp : Propagation Optique Géométrique TEA : Thin element approximation 31

32 TEA : Thin Element Approximation TEA est le plus bas niveau d approximation de l optique géométrique pour le tracé de champ. Champ d entrée paraxial Réfraction négligée interface mince TEA : Thin Element Approximation TEA est le plus bas niveau d approximation de l optique géométrique pour le tracé de champ. Champ d entrée paraxial Réfraction négligée interface mince L effet optique est base sur la difference de chemin optique uniquement Néanmoins, TEA est largement utilisée dans divers domaines de l optique: optiques laser, optique de Fourier, optique diffractive, holographie, design de lentilles minces, analyse de réseaux minces, 32

33 Exemple de Modélisation: Diffusion Diffuseur: Hauteur de profile en Silice fondue Champ sur l écran 1 m Champ d entrée paraxial, surface rugueuse: TEA est applicable Surface diffusante à partir de données de mesure Données mesurées de hauteur de profile Les données peuvent être importees dans VirtualLab 33

34 Surface diffusante à partir de données de mesure Exemple de Modélisation: Diffusion Diffuseur: Hauteur de profile en Silice fondue Champ sur l écran 1 m Champ d entrée paraxial, surface rugueuse: TEA est applicable 34

35 Simulation avec VirtualLab Diffuseur: Hauteur de profile en Silice fondue Champ sur l écran 1 m Champ d entrée paraxial, surface rugueuse: TEA est applicable Techniques de Tracé de Champ présentes actuellement sous VirtualLab Propagation en espace libre SPW : Spectrum of plane wave integral Intégrale de Fresnel Intégrale en Champ Lointain Optique Géométrique en espace libre Sélection automatique de l opérateur GeOp : Propagation Optique Géométrique TEA : Thin element approximation BPM : Beam propagation method 35

36 Split-Step Beam Propagation Method BPM est une combinaison de TEA, Thin element approximation, et Propagation en espace libre de façon alternée (split-step). Bien adapté à la propagation à travers les milieux dont l indice de réfraction est modulé graduellement. VirtualLab fournit la méthode BPM comme technique de Tracé de Champ. Exemple : Utilisation de la méthode BPM 5.15 mm 2 mm Onde Plane l=810 nm Diamètre 750 µm Lentille GRIN Plan Focal La propagation de la lumière à travers la lentille à Gradient d Indice est modélisée par la méthode splitstep BPM. 36

37 Résultat de simulation Distribution de l amplitude du champ derrière la surface de la lentille à Gradient d Indice. Techniques de Tracé de Champ présentes actuellement sous VirtualLab Propagation en espace libre SPW : Spectrum of plane wave integral Intégrale de Fresnel Intégrale en Champ Lointain Optique Géométrique en espace libre Sélection automatique de l opérateur GeOp : Propagation Optique Géométrique TEA : Thin element approximation BPM : Beam propagation method FMM : Fourier modal method 37

38 FMM : Fourier Modal Method Technique électromagnétique pour analyser les réseaux. FMM est inculse dans VirtualLab et donne accès à: Efficacités de diffraction Coefficients de Rayleigh Champ proche et champ lointain du réseau Champ à l intérieur du réseau Analyse de la polarisation Exemple de modélisation Air Silice fondue 532 nm 10 µm 1 µm Simulation Rigoureuse de l efficacité des ordres de diffraction et du champ proche 38

39 Résultat de modélisation Les efficacités et angles des ordres de diffraction sont présentés dans: Diagramme polaire Table Techniques de Tracé de Champ présentes actuellement sous VirtualLab Propagation en espace libre SPW : Spectrum of plane wave integral Intégrale de Fresnel Intégrale en Champ Lointain Optique Géométrique en espace libre Sélection automatique de l opérateur GeOp : Propagation Optique Géométrique TEA : Thin element approximation BPM : Beam propagation method FMM : Fourier modal method 39

40 3. Introduction aux Fonctionnalités de VirtualLab VirtualLab propose la Nouvelle Génération de Logiciel de Modélisation Optique 3. Introduction aux Fonctionnalités de VirtualLab Les Toolbox VirtualLab 40

41 Les Toolbox VirtualLab Technologie VirtualLab Grating Toolbox Starter Toolbox Diffractive Optics Toolbox Laser Resonator Toolbox Lighting Toolbox Toolboxes Chaque toolbox fonctionne parfaitement ensemble dans votre environnement VirtualLab. Chaque toolbox ajoute plus d outils à votre VirtualLab. Chaque toolbox peut également fonctionner comme un logiciel indépendant, Ex., vous pouvez utiliser le module Grating Toolbox sans le module Starter Toolbox. Typiquement les clients utilisent le modules Starter Toolbox + des modules additionnels. 41

42 Starter Toolbox (1) Analyse et optimisation des systèmes optiques en prenant en compte : Réfraction Diffraction Interférence Polarisation Cohérence Couleur Impulsions ultra-brèves Starter Toolbox (2) Vous bénéficier de: Micro-optiques et optiques diffractive Optiques pour lasers Sources partiellement cohérentes, Ex: laser. excimer et LEDs Optique de Fourier, télécommunications Interférométrie Optiques polarisantes Optiques en champ proche Optiques à grande ON Ingénierie de front d ondes Optiques pour impulsions ultra-brèves Optimisation paramétrique 42

43 Diffractive Optics Toolbox Conception et analyse de: Eléments optiques diffractifs Lentilles à surface diffractive Diffuseurs Séparateurs de faisceaux diffractifs Modeleurs diffractifs et modeleurs de faisceaux Hologrammes générés par ordinateur Kinoforms Design et analyse de: Micro lentilles et matrices de micro lentilles Modeleurs réfractifs de faisceaux Grating Toolbox Analyse électromagnétique des réseaux 2D et 3D par FMM (Fourier Modal Method): efficacité de diffraction, champ proche/ champ lointain, analyse de polarisation simulation de surfaces, volumes et réseaux de Bragg analyse de réseaux avec des motifs de taille inférieure et supérieure à la longueur d'ondes Grande flexibilité de mise en forme des réseaux Optimisation paramétrique 43

44 Laser Resonator Toolbox Analyse des modes propres des résonateurs stables Modélisation de milieu actif Simulation des effets diffractifs aux ouvertures et micro structures Analyse des tolérances Mise en forme du mode fondamental par miroirs à microstructures Import LASCAD Lighting Toolbox Design et analyse des faisceaux de matrice de cellules de réseaux pour la déflexion de la lumière Modelage et homogénéisation d éclairage LED Génération de points lumineux et de motifs lumineux Prend en compte diffraction, interférences et effets de cohérence partielle 44

45 VirtualLab Toolboxes Technologie VirtualLab Grating Toolbox Starter Toolbox Diffractive Optics Toolbox Laser Resonator Toolbox Lighting Toolbox VirtualLab est en développement permanent! Plusieurs mises à jour chaque année apportent régulièrement de nouvelles fonctionnalités! 3. Introduction aux Fonctionnalités de VirtualLab Introduction à l Interface Utilisateur VirtualLab 45

46 Interface Utilisateur VirtualLab TM Barre d outils Menu Navigateur de propriétés Fenêtre de messages et d affichage de résultats Light Path Diagram Light path view Light path editor 46

47 Vue de la Barre d Outils Intensité Phase Vue de la Barre d Outils Affichage de la polarisation locale Ellipses de Polaristaion Angle de Polarisation Eccentricité de la Polarisation Plan de la Polarisation 47

48 Vue 3D Visualisation 3D du système décrit dans le Light Path Diagrams. 3. Introduction aux Fonctionnalités de VirtualLab Exemples d Utilisations de VirtualLab 48

49 Types d applications Composants Diffractifs Systèmes Laser Systèmes d Imagerie Eclairage lithographique Métrologie Optique Spectroscopie Eclairage LED Cavités Laser Componsants micro-optiques et plus Cellules Solaires Domaines d activités Traitement de matériaux Procédés de mesures Applications d affichage Communication en espace libre Applications médicales Applications aérospatiales Astronomie Défense et sécurité Applications automobiles et plus 49

50 Exemple : Cohérence Temporelle Source Polychromatique Cube Séparateur Lame de retard De phase Mirroir 20 mm 20 mm 20 mm 20 mm 20 mm Mirror 35 mm 5 mm 20 mm Lentille Sphérique Cube Séparateur Ecran Exemple : Cohérence Temporelle Source Polychromatique Cube Séparateur Lame de retard De phase Mirroir 20 mm 20 mm 20 mm 20 mm 20 mm Mirror 35 mm 5 mm 20 mm Lentille Sphérique Cube Séparateur Ecran 50

51 Exemple: Interférométrie en lumière blanche Exemple: Spectroscopie 51

52 Exemple Exemple : Diffractif Gaussien -> Top Hat 100 µm Uniforme 52

53 Exemple : Diffractif Lentille de Fourrier Plan image 1 mm f=250 mm Source Diffuseur diffractif Niveaux de phases : 4 Ecran Exemple : Diffractif Matrice de cellules prismes/miroirs Matrices de cellules de réseaux 53

54 Exemple : Diffractif Exemple : Lentille hybride 2.3 mm 10 mm Focalisation? Onde Plane Lentille Hybride Avec Surface refractive et diffractive Plan image 54

55 Exemple : Lentille hybride 2 points de focalisation Le Tracé de Champ avec VirtualLab VirtualLab Tutoriaux, webminaires disponibles sur 55

56 Conclusion sur les Possibilités de VirtualLab VirtualLab propose la Nouvelle Génération de Logiciel de Modélisation Optique Grande variété de sources et d analyses Sources : Spatiallement cohérentes à incohérentes, Non poralisées à poralisées, Continues, à impulsions fs, Analyses détecteur: Amplitude,Phase du champ Polarization, Vecteurs de Poynting, Durée d impulsion, 56

57 Grande variété de type de surface Rugosité de surface Défaut de surface asphérique Réseaux 2D Microstructures Multi-niveaux Lisses, Freeform Réseaux 3D Motifs du nanomètre au mètre Sélection des techniques de modélisation 1 seule méthode de propagation de la lumière Source de lumière Détecteur Source de lumière Détecteur Différentes techniques de modélisation 57

58 Le Tracé de Champ permet de combiner toutes les techniques Thin element approximation (TEA) Modélisation unifiée Optique Géométrique Layer matrices Fresnel integral Beam propagation method (BPM) Rigorous coupled wave approach (RCWA) Finite differene time domain (FDTD) et plus Finite element method (FEM) Spectrum of plane waves (SPW) Fourier modal method (FMM) Le Tracé de Champ avec VirtualLab VirtualLab est le premier et le seul Traceur de Champ sur le marché 58