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        基于VirtualLab的干涉光路模擬

        2021-11-10 01:42:54安婷雯陳秀艷
        科技信息·學(xué)術(shù)版 2021年23期
        關(guān)鍵詞:馬赫仿真

        安婷雯 陳秀艷

        摘要:通過在VirtualLab平臺對光波的疊加,平面波與球面波干涉、馬赫-曾德爾干涉幾個(gè)干涉系統(tǒng)的建模與實(shí)驗(yàn)仿真,闡述了VirtualLab仿真模擬技術(shù)在干涉中的多種應(yīng)用,通過VirtualLab平臺的仿真技術(shù),簡化了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性,將其簡化成簡單的流程圖。讓光學(xué)研究變得更加高效,清晰。

        關(guān)鍵詞:VirtualLab?仿真;干涉光路;馬赫-曾德爾干涉

        1?引言

        隨著科技的發(fā)展,光學(xué)的研究也愈加多樣,學(xué)者們熱衷于各種新穎的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和光學(xué)器件研究[1、2],但實(shí)際光學(xué)實(shí)驗(yàn)因?yàn)楦鞣N因素難以展開,如:昂貴的儀器、實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)苛的條件,光學(xué)結(jié)果不穩(wěn)定。各種大功率激光實(shí)驗(yàn)還有危險(xiǎn)因素。這時(shí),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,各種仿真軟件的誕生大大提高了光學(xué)研究的效率,降低了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性[3]。本文以平面波與球面波干涉、馬赫-曾德爾干涉幾個(gè)干涉系統(tǒng)為例,介紹光學(xué)模擬設(shè)計(jì)平臺VirtualLab在光的干涉中的應(yīng)用。體現(xiàn)出仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高吻合,可以精確快速的完成仿真模擬,展現(xiàn)出仿真技術(shù)在光學(xué)研究以及教學(xué)領(lǐng)域的重要性[4、5]。

        2?干涉應(yīng)用舉例

        2.1?光波疊加

        VirtualLab可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單色光波的疊加模擬。在光路中,Ideal?Beam?Splitter元件將入射的平面光波分為兩部分,在兩個(gè)光路中加入Linear?Phase元件,來改變兩個(gè)光場E1、E2的傳播方向。

        在Linear?Phase元件中,我們可以通過調(diào)整笛卡爾坐標(biāo)下的α和β角度來給E1、E2加以不同的線性相位,使它們朝著不同方向偏轉(zhuǎn)。(α和β分別表示新方向在xz和yz平面內(nèi)的投影與z軸的夾角。)傳播到一定位置,當(dāng)E1、E2重合時(shí),便會出現(xiàn)明顯的干涉條紋。當(dāng)我們將Linear?Phase元件α和β角度設(shè)置為0.3時(shí),便會出現(xiàn)間距較大的條紋。將Linear?Phase元件α和β角度設(shè)置為0.5時(shí),便會出現(xiàn)比之前細(xì)密的條紋。可見,當(dāng)α,β越大,條紋越密集。當(dāng)傳播距離為50mm時(shí),兩光場會錯(cuò)開,條紋只出現(xiàn)在相交的部分,亮條紋的亮度比單一光場的亮度強(qiáng)。

        2.2?球面波與平面波的干涉

        VirtualLab可模擬多種波的干涉,首先用Ideal?Beam?Splitter元件將入射的平面光波分解為能量相同兩部分,一部分通過Linear?Phase元件產(chǎn)生一個(gè)傾斜的平面波,另一部分通過Sphencal?Phase元件將一束平面波調(diào)制成了球面光波,兩束光波在Virtual?Screen元件處發(fā)生干涉[7]。調(diào)制后的平面波與球面波出現(xiàn)環(huán)形干涉條紋。

        在此干涉中,同樣也可以像2.1中的系統(tǒng)一樣,通過調(diào)整α和β角度參數(shù),來探究平面波傾斜程度與最終干涉光場分布的關(guān)系。

        2.3?馬赫-曾德爾干涉模擬

        VirtualLab可模擬多種干涉儀的光路,我們可以來模擬馬赫-曾德爾干涉儀的光路流程,同樣用Ideal?Beam?Splitter元件將入射的平面光波分解為能量相同兩部分,一部分通過Double?Interface?Component元件后由Ideal?Plane?Mirror元件反射向Virtual?Screen元件方向。另一束光通過Ideal?Plane?Mirror元件反射到Spherical?lens元件上,在傳播中與另一束光產(chǎn)生干涉,由Virtual?Screen元件接收。

        同樣,我們還可以對光路中的Spherical?lens元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,當(dāng)設(shè)置偏轉(zhuǎn)角度為5°時(shí),干涉條紋中心向右移動(dòng),當(dāng)設(shè)置偏轉(zhuǎn)角度為10°時(shí),干涉條紋中心向右側(cè)移動(dòng)更多。當(dāng)球面鏡偏轉(zhuǎn)角度增大時(shí),干涉圖樣的偏移程度也越大。

        由此,我們可以看到,對元件的參數(shù)更改,我們得到的輸出光場也有相對應(yīng)的改變,我們可以通過計(jì)算和分析來找到兩者的聯(lián)系,從而可以實(shí)現(xiàn)由參數(shù)的改變推斷出干涉圖樣的變化,也可以通過干涉圖樣的改變推算出是哪個(gè)元件參數(shù)發(fā)生改變。

        3?結(jié)論

        本文使用VirtualLab平臺對平面波與球面波干涉、馬赫-曾德爾干涉幾個(gè)干涉系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,通過依據(jù)現(xiàn)實(shí)器件搭建光學(xué)流程圖,合理設(shè)置各個(gè)元件參數(shù),就可以得出實(shí)驗(yàn)圖樣,確保了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、安全性。虛擬仿真技術(shù)在未來可以進(jìn)行更多高難度的光學(xué)實(shí)驗(yàn)和核心光學(xué)器件研究工作。

        致謝:

        感謝迅技光電科技(上海)有限公司提供的軟件服務(wù)

        參考文獻(xiàn):

        [1]李雨蔚.基于VirtualLab的波長選擇開關(guān)仿真技術(shù)研究[D].中央民族大學(xué),2020.

        [2]WANG?Yuhcng,CHANG?Yilin,ZHANG?Jianqi,LU?Guanghao,WEI?Zhixiang.Semitransparent?Flexible?Organic?Solar?Cells.高等學(xué)?;瘜W(xué)研究:英文版,2020,36(3):343-350.

        [3]呂依穎.光學(xué)實(shí)驗(yàn)的VirtualLab設(shè)計(jì)仿真研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報(bào),2016,33(05):111-115

        [4]王馳,孫凡,于洋,等.VirtualLabTM在微小梯度折射率透鏡性能分析中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程,2015,23(10):215-220.

        [5]尚學(xué)府,吳慧,王亞偉.干涉的模擬—VirtualLab虛擬光學(xué)仿真軟件輔助光學(xué)教學(xué)[J].物理通報(bào),2013(4):77~79.

        [6]韓振海.VirtualLab虛擬仿真在物理光學(xué)中的應(yīng)用[J].河西學(xué)院學(xué)報(bào),2016,33-38.

        作者簡介:

        安婷雯(1998—),女,蒙古族,遼寧省大連市人,本科生,單位:沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院凝聚態(tài)專業(yè),研究方向:新型光電材料性能研究。

        陳秀艷(1978—),女,漢族,遼寧省沈陽市人,副教授,光學(xué)博士,單位:沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,研究方向:光電子器件與光電材料。

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