VirtualLab Fusion | 渐变折射率透镜的构造和建模

渐变折射率（GRIN）透镜是一种折射率沿径向连续变化的光学元件，其独特的折射率分布赋予了它不同于传统球面透镜的聚焦与成像特性。

VirtualLab Fusion光之数字模型平台为渐变折射率透镜的设计与仿真提供了高度灵活的工具支持，用户不仅可便捷地构建GRIN透镜模型，还可通过光线追迹与场追迹两种引擎对其光学性能进行多维度分析。

本案例以球面波经GRIN透镜聚焦的简易系统为例，系统展示从模型构建到成像分析的完整仿真流程。

建模任务

本案例的核心任务包含以下两个层面：

• 基于VirtualLab Fusion光之数字模型平台的GRIN介质定义功能，完成渐变折射率透镜的几何与材料参数配置；
• 分别采用光线追迹与场追迹两种传播引擎，对透镜的聚焦性能进行仿真分析，并对比两种方法在预测焦点位置与场分布方面的异同。

GRIN透镜构建

VirtualLab Fusion光之数字模型平台提供了直观的GRIN介质定义方式，用户可通过指定折射率沿径向的分布函数（如抛物线型分布）及透镜的几何尺寸（口径、长度），快速完成GRIN透镜模型的建立。

平台支持自定义折射率分布曲线，为不同设计需求的GRIN透镜建模提供了充分的灵活性。

系统配置

仿真系统由球面波光源、GRIN透镜组件及探测器组成，在探测器配置方面，采用电磁场探测器（Electromagnetic Field Detector）用于获取焦点处及透镜后不同位置的光场分布图像，对比各平面的场分布图像，最终确定最佳成像面的精确位置

仿真分析

光线追迹分析

基于几何光学近似，快速追踪球面波经GRIN透镜后的光线传播路径，直观呈现透镜的聚焦效果与焦点位置。

场追迹分析

基于物理光学，精确计算光场在GRIN透镜中的振幅与相位演化，获得焦点处的精细场分布及衍射信息。

通过对比两种方法的结果，可全面评估GRIN透镜的成像质量，并在光线追迹初步定位焦点后，进一步借助场追迹寻找最佳成像面。

VirtualLab Fusion光之数字模型平台集GRIN透镜便捷建模、光线追迹快速评估与场追迹高精度分析于一体，为渐变折射率光学元件的设计提供了完整的数值仿真工具链。