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  • VirtualLab虚拟仿真在物理光学中的应用研究

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2019-11-03

    随着光学技术与计算机技术的发展与融合,计算机虚拟仿真技术在光学系统设计,光学建模,光学教学等领域发挥着越来越重要的作用。近年来,已经引入了许多功能强大且用途广泛的专业光学软件,极大地改善了光学分析和教学。系统设计的效率可用于方便,高效地设计性能优异的光学系统和设备。例如,基于经典光学和现代光学基本原理的光学设计软件,主要是ZEMAX,CODE V,OSLO等,以及基于导波光学和光学通信理论的光学通信软件,主要是OptiBPM,Beamprop等。光波导设计软件和光学系统仿真软件;尽快安装照明系统设计软件,Lighttools,TRACEPRO。此外,其他一些计算软件也可以用于光学研究领域,例如数学软件MATLAB在光学信息处理中的应用。目前,VirtualLab是一项非常有吸引力的工作。功能强大的光学系统仿真设计软件,可以完成光学理论研究和应用领域中的准确,快速的设计或虚拟仿真,也可以在光学教学过程中发挥其他软件所没有的独特作用。

    1.虚拟实验室中的光学虚拟仿真功能

    VirtualLab是德国LightTrans开发的光学建模和系统设计分析软件。它基于电磁场的核心理论,通过求解麦克斯韦方程组(即场跟踪)获得空间各个部分的整个光学系统的光场信息。系统内核使用有限元有限元数值计算方法和计算机图像处理技术,在图形交互窗口中以光路流程图的形式对光学系统进行统一建模和仿真,其中光源,光学部件和检测器可以可以在光学组件库中灵活调用,并且可以随时设置和编辑各种光学特性参数。这是一个统一的光学建模和分析平台。 VirtualLab与几何光学,平面波角光谱法,菲涅耳近轴近似,傅里叶模式法,光束传播法,ABCD矩阵传输和其他仿真技术兼容,可以自动选择光学系统不同介质区域的传输仿真技术,或者用户可以根据需要设置传输模式。由于VirtualLab系统是基于光的电磁波和Maxwell的电磁场理论,因此可以实现对光波场的完整描述。在此平台上构建的光学系统中,包括空间中任何位置的任何矢量方向上的包括幅度,相位和偏振的光场数据都可以通过检测器。经过测量,从而为光学系统的建模和设计提供了极大的准确性和灵活性。

    在VirtualLab中,提供了基本工具箱(入门工具箱),衍射光学工具箱(衍射光学工具箱),光栅工具箱(光栅工具箱),激光谐振器工具箱(激光谐振器工具箱),照明工具箱(照明工具箱)。这些丰富而强大的工具箱使光学系统成为可能。传统的建模和设计更简单,更准确,更动态。基本工具箱是一个统一的建模平台,适用于各种光学系统分析。它可以用于构建和分析各种光学系统。该工具箱可用于定义光源,平面波,球面波,以及它们从ZEMAX通过透镜,非球面界面的引入。该探测器可以通过透镜系统,折射率调制器,光阑,光栅和衍射装置的传播来检测光场的各种数据。衍射光学工具箱可以实现光束整形设计,分束器设计和扩散器设计,还可以进行衍射效率,信噪比和输出光场的均匀误差。光栅工具箱包含多种光栅可供选择,这为光栅和光子晶体的分析提供了良好的支持。该工具箱可用于分析远场和近场衍射以及衍射效率。激光谐振器工具箱主要用于激光谐振器的建模和设计以及激光分析。模式传播。

    2.虚拟实验室虚拟仿真在物理光学中的应用

    物理光学是光学及其相关领域研究工作的基础,也是现代光学的基础。物理光学既包含丰富的抽象数学知识,又包含许多复杂的实验过程。光学虚拟模拟实验平台软件VirtualLab使用先进的计算机数值模拟技术,可以通过简单的流程图操作,通过分析物理光学中许多具有复杂抽象概念的实验系统,来快速,准确地模拟和分析复杂的光学实验过程。

    2.1光干涉的虚拟仿真

    <林德230在VirtualLab中,可以模拟相干叠加的任何两列光波的干涉场。它还可以模拟干涉系统,例如迈克尔逊干涉仪,马赫曾德尔干涉仪和FP干涉仪。在此,使用平面波和球面波。以干涉为例,实现了对两列相干光波的干涉仿真。图1是VirtualLab中内置的平面波和球面波干涉系统的光路流程图。入射平面光波由分束器分解为两部分,一部分在线性相位调制器之后,形成倾斜的平面波,另一部分由球形相位调制器形成,以形成球形波。将调制后的平面波和球面波叠加在虚拟屏幕上,以观察干扰场的分布。调制平面波和球面波的干扰光场的强度取决于两个相干光波的调制。在该干涉仪系统中,可以通过改变相位调制器的参数来分析干涉光场分布与两个相干光波传输参数之间的关系。

    <林登2.2光衍射的虚拟模拟

    衍射是光波的基本特性。光波衍射的分析计算通常很复杂,但是在VirtualLab中,使用各种光源类型和灵活的衍射屏组件,可以通过各种衍射屏和光栅轻松实现菲涅耳。衍射,Fraunhofer衍射场模拟,尤其是具有强大的衍射设计模块的模拟,还可以用于光学衍射系统建模和系统设计。这是一个非常典型的圆孔衍射和光栅弗劳恩霍夫衍射,例如进行虚拟仿真。这是Virtual-Lab内置的菲涅耳圆孔衍射流程图。入射的球形光波从衍射屏通过z=200mm的圆形孔状孔径(入射光波长。在虚拟屏幕上观察到的菲涅耳衍射场,λ=532 nm,光瞳孔径d=1 mm,满足近场条件。图4是

    穿过圆孔的球面菲涅耳衍射场的强度取决于圆孔中半带的数量。图5是Virtual-Lab中内置的Fraunhofer衍射光栅的衍射图。平面光波穿过一维矩形光栅(光栅常数d=100μm,狭缝宽度a=20μm),并从衍射屏z=2800mm(入射光波长λ=532nm,满足远场条件)。沃菲的衍射场是穿过光栅的平面波的衍射光场的强度(单色平面光的入射入射在三种原色的双色上),这与衍射一致光栅的强度分布及其分布取决于光栅常数,狭缝宽度和狭缝数量等参数。在上述衍射模拟系统中,可以通过更改诸如光源的类型,衍射光瞳的大小和形状等参数来实时分析衍射光波场中任何位置的振幅,强度和强度。光栅结构。相分布和其他性质。

    2.3光偏振的虚拟模拟

    在virtuallab中,可以根据需要产生和设置偏振光,分析光波经过各种偏振器件后的偏振状态。以偏振光通过波片群为例,模拟了空间光波的偏振状态。是线偏振光通过极化板P依次通过两个同轴四分之一波片和1/2波片的示意图,这是在VirtualLab中建立波片后的偏振状态,可以看作是右手的圆极化。光;对于右手圆偏振光进一步传输1/2波片后的偏振态,可视为左手圆偏振光。利用波片群将线偏振光转换成左手圆偏振光。(a)对入射光的偏振态(b)通过1/4波片偏振态(c)通过1/2波片偏振态在virtuallab系统平台上进行光场偏振特性仿真,只要设置入射光波,偏振琼斯矢量和偏振器件的琼斯矩阵就可以研究空间光波场的各种偏振特性。

    三.结论

    本文在virtuallab平台上对几种光干涉、光衍射和光偏振系统进行了建模和实验模拟。整个建模和仿真过程不需要编程,但光路是根据光学系统的逻辑关系和功能建立的。流程图,并定义和设置必要的梁和设备参数。由于virtuallab的磁芯是基于电磁磁芯理论,采用先进的计算机数值计算和图像处理技术,仿真结果具有很高的直观性和准确性。精度保证了虚拟仿真的真实效果,可以模拟任何物理光学的静态和动态实验过程,不仅可以用于光学和系统的虚拟仿真,还可以用于相应的光学研究工作。

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