VirtualLab 虛擬仿真在物理光學中的應用研究

1、VirtualLab 虛擬仿真在物理光學中的應用研究隨著光學和計算機技術的日趨開展和互相交融， 計算機虛擬仿真技術在光學系統(tǒng)設計、光學建模、光學教學等領域越來越發(fā)揮其重要的作用. 近年來相繼推出了一批功能強大、應用面廣的專業(yè)光學軟件， 大大進步了光學分析與系統(tǒng)設計的效率， 可以便捷、高效地設計性能優(yōu)異的光學系統(tǒng)與器件. 如基于經典光學和現代光學根本原理的光學設計類軟件， 主要有ZEMAX、CODE V、OSLO 等; 基于導波光學和光通信理論的光通信類軟件， 主要有OptiBPM、Beamprop 等光波導設計軟件及OptiSystem 等光通信系統(tǒng)仿真軟件; 照明系統(tǒng)設計軟件ASAP、Lig

2、httools、TRACEPRO. 此外， 其它一些計算軟件也可用于光學研究領域， 如數學軟件Matlab 在光信息處理中的應用. 而VirtualLab那么是目前非常受人矚目的一款功能強大的光學系統(tǒng)仿真設計軟件， 它在光學理論研究及應用領域可完成準確而快速的設計或虛擬仿真， 在光學教學過程中也可發(fā)揮其它軟件所不具備的獨特作用。1 .VirtualLab 中的光學虛擬仿真功能VirtualLab 是由德國LightTrans 公司研發(fā)的一款光學建模和系統(tǒng)設計分析軟件， 它基于電磁場核心理論， 通過求解Maxwell 方程組獲得整個光學系統(tǒng)在空間各個部分的光波場矢量信息， 即場追跡. 該系統(tǒng)內核

3、運用了有限元FEM 數值計算方法和計算機圖像處理技術， 在圖形化的交互窗口中統(tǒng)一用Light Path 流程圖的形式進展光學系統(tǒng)的建模與仿真分析， 其中的光源、光學元件、探測器都可以在光學元件庫中靈敏調用， 并且能隨時對其各種光學特性參數進展設置和編輯， 是一個統(tǒng)一化的光學建模與分析平臺. VirtualLab 兼容了幾何光學、平面波角譜法、Fresnel 近軸近似、Fourier模態(tài)法、光束傳播方法、ABCD 矩陣傳輸等多種模擬技術， 對光學系統(tǒng)的不同介質區(qū)域， 可自動選擇傳輸模擬技術， 也可由用戶根據需要自主設置傳輸方式. 由于VirtualLab 系統(tǒng)是基于光的電磁波描繪和Maxwell

4、 電磁場理論， 所以可以實現對光波場的完好描繪. 在該平臺上構建的光學系統(tǒng)中，包括空間任何位置在各個矢量方向上的振幅、相位和偏振等光場數據都可以通過探測器測得， 因此能為光學系統(tǒng)的建模和設計提供極大的準確性和靈敏性.在VirtualLab 中， 提供了根本工具箱(Starter Toolbox)、衍射光學工具箱(Diffraction OpticsToolbox)、光柵工具箱(Grating Toolbox)、激光諧振腔工具箱(Laser Resonator Toolbox)、光源工具箱(LightingToolbox)等， 這些豐富而又功能強大的工具箱使得光學系統(tǒng)的建模和設計更簡單、準確和機

5、動. 其中的根本工具箱是統(tǒng)一建模的平臺， 適用于各種光學系統(tǒng)分析， 用于構建和分析多種光學系統(tǒng)， 該工具箱可用來定義光源、平面波、球面波以及它們通過鏡片、非球面界面、從ZEMAX 導入的透鏡系統(tǒng)、折射率調制器件、光闌、光柵和衍射器件的傳播， 探測器那么可以探測光場的各種數據; 衍射光學工具箱能實現光束整形設計、光束分束器設計和擴散器設計， 并且能對輸出光場的衍射效率、信噪比、均勻誤差等做出評估; 光柵工具箱包含有多種類型的光柵可供選用， 這為分析光柵和光子晶體提供了很好的支持， 利用該工具箱可分析遠場衍射和近場衍射以及衍射效率;激光諧振腔工具箱主要用于激光諧振腔的建模和設計， 以及分析激光形式

6、傳播.2. VirtualLab 虛擬仿真在物理光學中的應用物理光學是從事光學及相關領域研究工作的根底， 也是現代光學的根底. 物理光學中既包含有豐富而又抽象的數理知識， 又涉及諸多復雜的實驗過程. 光學虛擬仿真實驗平臺軟件VirtualLab 利用先進的計算機數值模擬技術將物理光學中眾多具有復雜、抽象概念的實驗系統(tǒng)， 通過簡單的流程圖操作形式進展建模， 可以快速、準確地實現對復雜光學實驗過程的仿真與分析研究。2.1 光的干預的虛擬仿真在VirtualLab 中， 可以實現對任意兩列光波相干疊加的干預場的仿真， 也可以對邁克爾遜干預儀、馬赫-曾德干預儀、F-P 干預儀等干預系統(tǒng)進展仿真分析.這

7、里以平面波和球面波的干預為例， 來實現對兩列相干光波的干預仿真. 圖1 是在VirtualLab中搭建的平面波和球面波干預系統(tǒng)光路流程圖. 將入射的平面光波通過一分束器分解為兩部分， 一部分經一線性相位調制器后形成一個傾斜的平面波， 另一部分經一球面相位調制器后形成一個球面波. 將調制后的平面波和球面波在虛擬屏上疊加， 即可觀察干預場的分布. 是調制后的平面波和球面波的干預光場強度， 其分布取決于兩相干光波的調制情況。在此干預系統(tǒng)中， 可以通過改變相位調制器的參數， 來分析研究干預光場分布與兩個相干光波傳輸參數之間的關系。2.2 光的衍射的虛擬仿真衍射是光波的根本屬性. 光波衍射的解析計算通常

8、比較復雜， 但在VirtualLab中， 利用豐富的光源類型和靈敏的衍射屏組件， 可以比較容易地實現光波經各種衍射屏及光柵的菲涅爾衍射、夫瑯禾費衍射場的仿真， 特別是利用功能強大的衍射設計模塊， 還可以進展光學衍射系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)設計.這里以非常典型的圓孔衍射和光柵的夫瑯禾費衍射為例， 來進展虛擬仿真.是在Virtual-Lab 中搭建的菲涅爾圓孔衍射流程圖. 將入射的球面光波通過一圓孔形光闌， 在距衍射屏z=200mm處(入射光波長=532nm，光闌孔徑d=1mm，滿足近場條件)的虛擬屏上觀察菲涅爾衍射場. 圖4 是球面波經圓孔的菲涅爾衍射光場強度， 其分布取決于圓形光闌中半波帶的數目. 圖

9、5 是在Virtual-Lab 中搭建的光柵夫瑯禾費衍射流程圖. 將入射的平面光波通過一個一維矩形光柵(光柵常數d =100m，縫寬a = 20m)， 在距衍射屏z = 2800mm(入射光波長= 532nm，滿足遠場條件)的虛擬屏上觀察夫瑯禾費衍射場. 是平面波經光柵的夫瑯禾費衍射光場強度(單色平面光波入射，為三基色復色光入射)， 與光柵衍射光強分布關系相吻合， 其分布取決于光柵常數、縫寬、縫數等參數.在以上的衍射仿真系統(tǒng)中， 可以通過改變光源類型、衍射光闌的大小形狀、光柵構造等參數，來實時地分析研究衍射光波場中任意位置的振幅、強度、相位分布等性質.2.3 光的偏振的虛擬仿真在Virtual

10、Lab 中， 可以根據需要產生和設置偏振光， 也可以對光波經過各種偏振器件后的偏振狀態(tài)進展分析研究. 這里以偏振光通過波片組為例， 來對空間光波的偏振狀態(tài)進展仿真. 是經偏振片P 的線偏振光依次通過兩個同軸1/4 波片和1/2 波片的示意圖，是在VirtualLab 中搭建波片后的偏振態(tài)， 可以看到呈右旋圓偏振光; 為右旋圓偏振光進一步透過1/2 波片后的偏振態(tài)， 可以看到呈左旋圓偏振光. 通過該波片組將線偏振光轉化成了左旋圓偏振光.(a)入射線偏振光的偏振態(tài)(b)透過1/4 波片的偏振態(tài)(c)透過1/2 波片的偏振態(tài)在對光場偏振特性仿真的VirtualLab 系統(tǒng)平臺中， 只要設置入射光波的偏振Jones 矢量以及偏振器件的Jones 矩陣， 就可以研究空間光波場的各種偏振性質.3. 結論本文在VirtualLab 平臺中對幾個光的干預、光的衍射、光的偏振系統(tǒng)進展了建模與實驗仿真，整個建模與仿真的過程無需編程， 只是對照光學系統(tǒng)的邏輯關系和功能來搭建光路流程圖， 并定義、設置必要的光束與器件的參數. 因為VirtualLab 的內核是基于電磁場核心理論并采用了先進的計算