呂依穎

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊　277160)

?

光學(xué)實驗的VirtualLab設(shè)計仿真研究

呂依穎

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊277160)

仿真模擬軟件的使用在光學(xué)研究中具有非常重要的意義.本文介紹了最新的光學(xué)建模與分析軟件VirtualLab，通過其在光學(xué)理論和實驗中的應(yīng)用舉例，模擬了單縫衍射現(xiàn)象，邁克耳遜干涉儀實驗裝置和雙折射晶體產(chǎn)生的偏振現(xiàn)象，并探討了該軟件在設(shè)計型實驗中的應(yīng)用.

光學(xué)實驗；virtualLab仿真；衍射；邁克爾遜干涉實驗；偏振現(xiàn)象①

0　引言

隨著科技的發(fā)展，光學(xué)知識應(yīng)用日趨廣泛，光學(xué)相關(guān)內(nèi)容的研究和各類光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計成為了科學(xué)工作者的研究熱點.然而由于光學(xué)實驗開展受到諸多因素的限制，例如嚴格的實驗條件，昂貴的實驗儀器等，使得相關(guān)工作難以展開.隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，軟件仿真技術(shù)日趨成熟，很多種仿真軟件應(yīng)運而生，如zemax、matlab軟件等，并且結(jié)果可信度高，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合很好.仿真技術(shù)的應(yīng)用在光學(xué)研究領(lǐng)域取得了明顯的成效[1-2].本文以光學(xué)中干涉和衍射理論為例，介紹最新的光學(xué)建模與分析軟件VirtualLab[3]在單縫衍射理論、邁克爾遜干涉實驗儀、牛頓環(huán)實驗和偏振現(xiàn)象中的應(yīng)用.

1　理論基礎(chǔ)

1.1單縫衍射理論

一般認為衍射可以分為夫瑯和費衍射和菲涅耳衍射兩種基本類型.討論：菲涅耳-基爾霍夫衍射公式[3]：

(1)

當(dāng)滿足遠場條件

(2)

衍射為夫瑯禾費衍射.這里R為球面波半徑，r為衍射孔中球面波上任一點Q至接收屏上任一點P的距離.b為衍射孔到接收屏距離，σ為衍射孔面積，A為球面波在衍射孔處振幅.由此可見，夫瑯禾費衍射為菲涅耳衍射的特例.

1.2邁克爾遜干涉儀介紹

如圖1所示，光路分為兩路，由光源s發(fā)出的光一部分經(jīng)G1，反射到平面鏡M2,又反射回G1,透過G1后射向觀察系統(tǒng)；另一部分光波經(jīng)過G1，G2經(jīng)平面鏡M1反射后又透過G2，再經(jīng)過G1下表面反射后進入觀察系統(tǒng).這兩路光的干涉光程差隨著M1的位移而發(fā)生改變，表現(xiàn)為觀察條紋的變化，變化規(guī)律為條紋變化1條位移為半個入射波波長[4]；當(dāng)M1轉(zhuǎn)動時就形成了等厚干涉裝置，可以利用劈尖理論進行分析.

圖1　邁克爾遜干涉儀光學(xué)原理圖　　　　圖2　牛頓環(huán)實驗原理圖

1.3牛頓環(huán)實驗理論介紹

如圖2所示，如果單色光源的波長λ已知，只需測出第k級暗環(huán)的半徑rk，即可算出平凸透鏡的曲率半徑R，公式為[5]：

(3)

2　VirtualLab軟件介紹

VirtualLab軟件是目前市場上唯一的統(tǒng)一化光學(xué)建模平臺，它是由德國Light Trans 公司研發(fā)的一款物理光學(xué)數(shù)值分析軟件，與傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計軟件相比，其最大的優(yōu)勢是采用了場追跡的理論，因此可以解決干涉、衍射、偏振和雙折射等物理光學(xué)的模擬[6～7].其light path diagram可以直觀的顯示組成光路的各元件及其連接情況，有助于理解光路組成；其3dvision模擬功能可以給出光路的3維視圖，有利于對光學(xué)成像系統(tǒng)進行直觀的可視化教學(xué)；軟件提供了含有大量光學(xué)元件的元件庫和五大工具箱，可以根據(jù)需要調(diào)用模塊，選用元件搭建光路，這就為設(shè)計性實驗的開展提供了強有力的工具.

3　VirtualLab應(yīng)用舉例

3.1VirtualLab在單縫衍射理論中的應(yīng)用

首先用VirtualLab模擬了單縫夫瑯和費衍射現(xiàn)象和菲涅耳衍射現(xiàn)象，將衍射圖樣通過圖形的形式顯示出來，同時給出了光強的分布曲線，有利于分析這兩種衍射模型的特點.根據(jù)菲涅耳衍射理論，認為在可見平面波照射的情況下，當(dāng)毫米量級縫與屏間距為1.88米以上就滿足夫瑯和費衍射條件.圖3和圖4分別給出了相同縫寬的單縫夫瑯和費衍射圖樣(單縫與屏間距為2米)和菲涅耳衍射圖樣(單縫與屏間距為1米).由圖可以清晰地看到兩種衍射的條紋圖樣和光強分布,與理論結(jié)果吻合很好.

3.2VirtualLab在邁克爾遜干涉儀模擬演示中的應(yīng)用

這里搭建的光路是使得兩平面鏡成一定夾角，得到的是等厚干涉的條紋.同時還可以通過改變劈尖夾角觀察劈尖角度對干涉條紋的影響，討論劈尖干涉特性.

圖3　單縫夫瑯和費衍射圖樣　　　　　　　圖4　單縫菲涅耳衍射圖樣

圖5　邁克爾遜干涉儀3d視圖

圖6夾角為0.50，-715.06μm～1.5407mm　　　　　圖7夾角為10時干涉條紋，-711.37μm～1.5389mm

3.3VirtualLab在牛頓環(huán)實驗中的應(yīng)用

圖8給出了牛頓環(huán)實驗?zāi)M圖.根據(jù)模擬結(jié)果除了可以直觀的看到實驗現(xiàn)象，還可以根據(jù)下面的一維曲線計算圖中任意兩條條紋的間距，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，有利于研究者在實際實驗中預(yù)判實驗效果，從而為后續(xù)工作提供理論依據(jù).

圖8　牛頓環(huán)實驗結(jié)果模擬圖

3.4VirtualLab在雙折射理論中的應(yīng)用

雙折射指的是光在各向異性媒質(zhì)(如晶體)中傳播，由于沿不同方向的傳播速率不同，出現(xiàn)的一束入射光折射出兩束折射光的現(xiàn)象.此現(xiàn)象因為一般在實際中很難觀測到，借助VirtualLab軟件，可以將這一現(xiàn)象模擬出來.

由于光波入射到雙折射晶體中，除沿光軸方向外，都要發(fā)生雙折射，入射光將分解成振動方向互相垂直，傳播速度不同，折射率不相等的兩種偏振光.通過觀測線偏振光經(jīng)雙折射元件1/4波片變?yōu)閳A偏振光的現(xiàn)象[8]，驗證了雙折射現(xiàn)象.如圖9和圖10所示，我們可以明顯的看到線偏振光經(jīng)過雙折射元件1/4波片后變?yōu)榱藞A偏振光.

圖9　線偏光經(jīng)過1/4波片前的仿真圖　　圖10　線偏光經(jīng)過1/4波片后的仿真圖

4　結(jié)論

實踐表明，光學(xué)建模與分析軟件VirtualLab具有直觀、可視化強、功能強大、操作方便等優(yōu)點.在研究的前期，使用該軟件進行模擬，結(jié)果可靠性強，可以對結(jié)果進行預(yù)判斷，從而降低研究成本，提高研究效率，有很好的應(yīng)用前景.

[1]喬亮,羊富貴,夏忠朝. 基于Matlab的邁克爾遜干涉實驗仿真[J].大學(xué)物理實驗,2015,28(2):93-95.

[2]閆昕.電磁波極化特性的MATLAB仿真[J].棗莊學(xué)院學(xué)報,2014,31(5):51-53.

[3]付躍剛等.物理光學(xué)- VirtualLab虛擬仿真[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2015:56-88.

[4]趙凱華.物理學(xué)(下冊)[M]北京：高等教育出版社，2007:94-142.

[5]蘇士田.牛頓環(huán)實驗的智能化測量研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報,2014,31(2):40-43.

[6]鄭帆,陳亞軍,馬春林. 隨機粗糙面的仿真和電磁散射特性研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報,2015,32(5):29-33.

[7]梁蘭菊,張新明,騰茂君. 電偶極子電磁場特性的可視化教學(xué)研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報,2014,31(5):43-46.

[8]Site Zhang, Frank Wyrowski, Zero-order VS. multi-order waveplate [J].Applied Computational optics group,2015:1-4.

[責(zé)任編輯：閆昕]

Design and Simulation of Optical Experiment in VirtualLab

LV Yi-ying

(School of Opt-Electronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

Simulation technique is widely used in the study of Optics and it is irreplaceable. Examples of diffractions and interferences as well as polarizationphenomenon with double refraction simulated using VirtualLab are given. Then the applications in the teaching of experiments are discussed here.

optical experiment; virtualLab simulation; diffraction; michelson interference experiment; polarizationphenomenon

2016-07-29

棗莊學(xué)院普通物理(應(yīng)用型)精品課程建設(shè)項目(項目編號：233021502)；棗莊學(xué)院電子類平臺大學(xué)物理課程建設(shè)項目(項目編號：2014A02-平臺).

呂依穎(1981-)，女，山東棗莊人，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院講師，理學(xué)碩士，主要從事基礎(chǔ)物理學(xué)教學(xué)和光學(xué)設(shè)計的研究.

0436.1

A

1004-7077(2016)05-0111-05