日期：2017年5月22日（一）下午14：00-17：00

地點(diǎn)：北京市海淀區(qū)中關(guān)村南大街5號(hào)（北京理工大學(xué)中心教學(xué)樓634室）

報(bào)告人：張斯特先生 德國(guó)耶拿大學(xué)應(yīng)用物理研究所 

張斯特先生，自2010年于中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院取得理學(xué)學(xué)士學(xué)位后，即赴德國(guó)耶拿大學(xué) (Friedrich-Schiller-Universität Jena) 繼續(xù)光學(xué)專業(yè)的碩士學(xué)習(xí)和研究，期間獲得阿貝光學(xué)學(xué)院 (Abbe School of Photonics) 獎(jiǎng)學(xué)金。 

在2013年獲得理學(xué)碩士學(xué)位后，進(jìn)入耶拿大學(xué)-應(yīng)用物理研究所 (Institute of Applied Physics) - 應(yīng)用計(jì)算光學(xué)組 (Applied Computational Optics Group) 攻讀博士學(xué)位，其后發(fā)表期刊論文和會(huì)議論文十余篇，同時(shí)與應(yīng)用物理研究所-超快光學(xué)組 (Ultrafast Optics Group) 共同開啟聯(lián)合研究題目。

在德國(guó)耶拿學(xué)習(xí)期間，張斯特的研究興趣集中在基于場(chǎng)追跡 (Field Tracing) 的光學(xué)模擬和設(shè)計(jì)，其中既包括基礎(chǔ)的光學(xué)問題，如使用平面波分解法計(jì)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(jì)算任意光束在光柵上的衍射；同時(shí)也有實(shí)用性的課題，如對(duì)脈沖光的時(shí)間-空間整形分析，基于Fox-Li方法的激光諧振腔橫模計(jì)算。 

報(bào)告概要 

現(xiàn)代光學(xué)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(shí)常失效。從本質(zhì)上講，光作為電磁場(chǎng)，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(chǎng)特性，在現(xiàn)代光學(xué)研究和應(yīng)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(chǎng)特性的仿真方法。以往，人們處理這類問題時(shí)采用的方式常常是沿用光線追跡，然后在光線的基礎(chǔ)上添加關(guān)注的額外電磁場(chǎng)信息。但是在我們看來，在已經(jīng)過度簡(jiǎn)化的模型上“硬塞”信息的方式并不符合邏輯。為此，我們已經(jīng)提出了基于物理光學(xué)的場(chǎng)追跡概念，并且推出了基于這一概念的光學(xué)仿真軟件VirtualLab Fusion。今天，我們?cè)谥�前工作的基礎(chǔ)上提出新一代光場(chǎng)追跡。 

與經(jīng)典一代概念相比，新一代場(chǎng)追跡建立于完全的物理光學(xué)基礎(chǔ)之上，其目標(biāo)是以最高效的方式求解Maxwell方程并以此方式對(duì)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)中的不同部分，我們使用不同的域（如時(shí)間域、頻率域、空間頻率域等）來描述對(duì)應(yīng)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(dá)到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的高效仿真。我們將使用“Field Tracing Diagram”的形式闡明各域內(nèi)的操作算符以及它們之間的變換關(guān)系。 

以電磁場(chǎng)在均勻介質(zhì)中的傳播為例，該物理過程在空間頻率域中可簡(jiǎn)潔的表示為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的乘積形式，且是嚴(yán)格精確的表示；反之，若要在真實(shí)空間域描述該過程則需要用到積分形式，往往還是經(jīng)過近似后的結(jié)果。以數(shù)值計(jì)算的角度來看，空間頻率域內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的乘積自然要比積分形式高效得多。因此，新一代場(chǎng)追跡中均勻介質(zhì)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(shí)空間與空間頻率域，我們?cè)谛乱淮鷪?chǎng)追跡技術(shù)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(jié)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(xué)仿真也可高效完成。這是前代場(chǎng)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(chǎng)追跡仿真技術(shù)。為應(yīng)對(duì)光波導(dǎo)以及基于光波導(dǎo)的先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)，如近眼顯示設(shè)備，光在元件內(nèi)以及元件間往復(fù)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(chǎng)追跡使用“Light Path Finder”自動(dòng)探出給定結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的可能光路，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件（如光柵衍射效率、探測(cè)器位置等）確定需要仿真的光路。除了光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，新一代的非序列場(chǎng)追跡技術(shù)在諧振腔仿真中也有重要意義。 

基于新一代場(chǎng)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(xué)測(cè)量

4. 基于平面波導(dǎo)與光柵的近眼顯示

5. 光學(xué)軌道角動(dòng)量生成與利用

6. 矢量光束與空間結(jié)構(gòu)光束的傳播

7. 超短激光脈沖 

等現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用示例。