VirtualLab 虛擬仿真在物理光學(xué)中的應(yīng)用研究

1、VirtualLab 虛擬仿真在物理光學(xué)中的應(yīng)用研究隨著光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨開(kāi)展和互相交融， 計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)建模、光學(xué)教學(xué)等領(lǐng)域越來(lái)越發(fā)揮其重要的作用. 近年來(lái)相繼推出了一批功能強(qiáng)大、應(yīng)用面廣的專(zhuān)業(yè)光學(xué)軟件， 大大進(jìn)步了光學(xué)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率， 可以便捷、高效地設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的光學(xué)系統(tǒng)與器件. 如基于經(jīng)典光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)根本原理的光學(xué)設(shè)計(jì)類(lèi)軟件， 主要有ZEMAX、CODE V、OSLO 等; 基于導(dǎo)波光學(xué)和光通信理論的光通信類(lèi)軟件， 主要有OptiBPM、Beamprop 等光波導(dǎo)設(shè)計(jì)軟件及OptiSystem 等光通信系統(tǒng)仿真軟件; 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件ASAP、Lig

2、httools、TRACEPRO. 此外， 其它一些計(jì)算軟件也可用于光學(xué)研究領(lǐng)域， 如數(shù)學(xué)軟件Matlab 在光信息處理中的應(yīng)用. 而VirtualLab那么是目前非常受人矚目的一款功能強(qiáng)大的光學(xué)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件， 它在光學(xué)理論研究及應(yīng)用領(lǐng)域可完成準(zhǔn)確而快速的設(shè)計(jì)或虛擬仿真， 在光學(xué)教學(xué)過(guò)程中也可發(fā)揮其它軟件所不具備的獨(dú)特作用。1 .VirtualLab 中的光學(xué)虛擬仿真功能VirtualLab 是由德國(guó)LightTrans 公司研發(fā)的一款光學(xué)建模和系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析軟件， 它基于電磁場(chǎng)核心理論， 通過(guò)求解Maxwell 方程組獲得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在空間各個(gè)部分的光波場(chǎng)矢量信息， 即場(chǎng)追跡. 該系統(tǒng)內(nèi)核

3、運(yùn)用了有限元FEM 數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)， 在圖形化的交互窗口中統(tǒng)一用Light Path 流程圖的形式進(jìn)展光學(xué)系統(tǒng)的建模與仿真分析， 其中的光源、光學(xué)元件、探測(cè)器都可以在光學(xué)元件庫(kù)中靈敏調(diào)用， 并且能隨時(shí)對(duì)其各種光學(xué)特性參數(shù)進(jìn)展設(shè)置和編輯， 是一個(gè)統(tǒng)一化的光學(xué)建模與分析平臺(tái). VirtualLab 兼容了幾何光學(xué)、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?shù)榷喾N模擬技術(shù)， 對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的不同介質(zhì)區(qū)域， 可自動(dòng)選擇傳輸模擬技術(shù)， 也可由用戶(hù)根據(jù)需要自主設(shè)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(chǎng)理論， 所以可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光波場(chǎng)的完好描繪. 在該平臺(tái)上構(gòu)建的光學(xué)系統(tǒng)中，包括空間任何位置在各個(gè)矢量方向上的振幅、相位和偏振等光場(chǎng)數(shù)據(jù)都可以通過(guò)探測(cè)器測(cè)得， 因此能為光學(xué)系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)提供極大的準(zhǔn)確性和靈敏性.在VirtualLab 中， 提供了根本工具箱(Starter Toolbox)、衍射光學(xué)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(qiáng)大的工具箱使得光學(xué)系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確和機(jī)

5、動(dòng). 其中的根本工具箱是統(tǒng)一建模的平臺(tái)， 適用于各種光學(xué)系統(tǒng)分析， 用于構(gòu)建和分析多種光學(xué)系統(tǒng)， 該工具箱可用來(lái)定義光源、平面波、球面波以及它們通過(guò)鏡片、非球面界面、從ZEMAX 導(dǎo)入的透鏡系統(tǒng)、折射率調(diào)制器件、光闌、光柵和衍射器件的傳播， 探測(cè)器那么可以探測(cè)光場(chǎng)的各種數(shù)據(jù); 衍射光學(xué)工具箱能實(shí)現(xiàn)光束整形設(shè)計(jì)、光束分束器設(shè)計(jì)和擴(kuò)散器設(shè)計(jì)， 并且能對(duì)輸出光場(chǎng)的衍射效率、信噪比、均勻誤差等做出評(píng)估; 光柵工具箱包含有多種類(lèi)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(yuǎn)場(chǎng)衍射和近場(chǎng)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(shè)計(jì)， 以及分析激光形式

6、傳播.2. VirtualLab 虛擬仿真在物理光學(xué)中的應(yīng)用物理光學(xué)是從事光學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域研究工作的根底， 也是現(xiàn)代光學(xué)的根底. 物理光學(xué)中既包含有豐富而又抽象的數(shù)理知識(shí)， 又涉及諸多復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程. 光學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件VirtualLab 利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)將物理光學(xué)中眾多具有復(fù)雜、抽象概念的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 通過(guò)簡(jiǎn)單的流程圖操作形式進(jìn)展建模， 可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜光學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的仿真與分析研究。2.1 光的干預(yù)的虛擬仿真在VirtualLab 中， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意兩列光波相干疊加的干預(yù)場(chǎng)的仿真， 也可以對(duì)邁克爾遜干預(yù)儀、馬赫-曾德干預(yù)儀、F-P 干預(yù)儀等干預(yù)系統(tǒng)進(jìn)展仿真分析.這

7、里以平面波和球面波的干預(yù)為例， 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩列相干光波的干預(yù)仿真. 圖1 是在VirtualLab中搭建的平面波和球面波干預(yù)系統(tǒng)光路流程圖. 將入射的平面光波通過(guò)一分束器分解為兩部分， 一部分經(jīng)一線性相位調(diào)制器后形成一個(gè)傾斜的平面波， 另一部分經(jīng)一球面相位調(diào)制器后形成一個(gè)球面波. 將調(diào)制后的平面波和球面波在虛擬屏上疊加， 即可觀察干預(yù)場(chǎng)的分布. 是調(diào)制后的平面波和球面波的干預(yù)光場(chǎng)強(qiáng)度， 其分布取決于兩相干光波的調(diào)制情況。在此干預(yù)系統(tǒng)中， 可以通過(guò)改變相位調(diào)制器的參數(shù)， 來(lái)分析研究干預(yù)光場(chǎng)分布與兩個(gè)相干光波傳輸參數(shù)之間的關(guān)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(jì)算通常

8、比較復(fù)雜， 但在VirtualLab中， 利用豐富的光源類(lèi)型和靈敏的衍射屏組件， 可以比較容易地實(shí)現(xiàn)光波經(jīng)各種衍射屏及光柵的菲涅爾衍射、夫瑯禾費(fèi)衍射場(chǎng)的仿真， 特別是利用功能強(qiáng)大的衍射設(shè)計(jì)模塊， 還可以進(jìn)展光學(xué)衍射系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)設(shè)計(jì).這里以非常典型的圓孔衍射和光柵的夫瑯禾費(fèi)衍射為例， 來(lái)進(jìn)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(guò)一圓孔形光闌， 在距衍射屏z=200mm處(入射光波長(zhǎng)=532nm，光闌孔徑d=1mm，滿(mǎn)足近場(chǎng)條件)的虛擬屏上觀察菲涅爾衍射場(chǎng). 圖4 是球面波經(jīng)圓孔的菲涅爾衍射光場(chǎng)強(qiáng)度， 其分布取決于圓形光闌中半波帶的數(shù)目. 圖

9、5 是在Virtual-Lab 中搭建的光柵夫瑯禾費(fèi)衍射流程圖. 將入射的平面光波通過(guò)一個(gè)一維矩形光柵(光柵常數(shù)d =100m，縫寬a = 20m)， 在距衍射屏z = 2800mm(入射光波長(zhǎng)= 532nm，滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件)的虛擬屏上觀察夫瑯禾費(fèi)衍射場(chǎng). 是平面波經(jīng)光柵的夫瑯禾費(fèi)衍射光場(chǎng)強(qiáng)度(單色平面光波入射，為三基色復(fù)色光入射)， 與光柵衍射光強(qiáng)分布關(guān)系相吻合， 其分布取決于光柵常數(shù)、縫寬、縫數(shù)等參數(shù).在以上的衍射仿真系統(tǒng)中， 可以通過(guò)改變光源類(lèi)型、衍射光闌的大小形狀、光柵構(gòu)造等參數(shù)，來(lái)實(shí)時(shí)地分析研究衍射光波場(chǎng)中任意位置的振幅、強(qiáng)度、相位分布等性質(zhì).2.3 光的偏振的虛擬仿真在Virtual

10、Lab 中， 可以根據(jù)需要產(chǎn)生和設(shè)置偏振光， 也可以對(duì)光波經(jīng)過(guò)各種偏振器件后的偏振狀態(tài)進(jìn)展分析研究. 這里以偏振光通過(guò)波片組為例， 來(lái)對(duì)空間光波的偏振狀態(tài)進(jìn)展仿真. 是經(jīng)偏振片P 的線偏振光依次通過(guò)兩個(gè)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(jìn)一步透過(guò)1/2 波片后的偏振態(tài)， 可以看到呈左旋圓偏振光. 通過(guò)該波片組將線偏振光轉(zhuǎn)化成了左旋圓偏振光.(a)入射線偏振光的偏振態(tài)(b)透過(guò)1/4 波片的偏振態(tài)(c)透過(guò)1/2 波片的偏振態(tài)在對(duì)光場(chǎng)偏振特性仿真的VirtualLab 系統(tǒng)平臺(tái)中， 只要設(shè)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(chǎng)的各種偏振性質(zhì).3. 結(jié)論本文在VirtualLab 平臺(tái)中對(duì)幾個(gè)光的干預(yù)、光的衍射、光的偏振系統(tǒng)進(jìn)展了建模與實(shí)驗(yàn)仿真，整個(gè)建模與仿真的過(guò)程無(wú)需編程， 只是對(duì)照光學(xué)系統(tǒng)的邏輯關(guān)系和功能來(lái)搭建光路流程圖， 并定義、設(shè)置必要的光束與器件的參數(shù). 因?yàn)閂irtualLab 的內(nèi)核是基于電磁場(chǎng)核心理論并采用了先進(jìn)的計(jì)算