基于VirtualLab的干涉光路模擬

安婷雯 陳秀艷

摘要：通過(guò)在VirtualLab平臺(tái)對(duì)光波的疊加，平面波與球面波干涉、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎺讉€(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(guò)VirtualLab平臺(tái)的仿真技術(shù)，簡(jiǎn)化了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，將其簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)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?tīng)柛缮?/p>

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(kāi)，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?tīng)柛缮鎺讉€(gè)干涉系統(tǒng)為例，介紹光學(xué)模擬設(shè)計(jì)平臺(tái)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(lái)改變兩個(gè)光場(chǎng)E1、E2的傳播方向。

在Linear?Phase元件中，我們可以通過(guò)調(diào)整笛卡爾坐標(biāo)下的α和β角度來(lái)給E1、E2加以不同的線(xiàn)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(huì)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(huì)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(huì)出現(xiàn)比之前細(xì)密的條紋?？梢?jiàn)，當(dāng)α，β越大，條紋越密集。當(dāng)傳播距離為50mm時(shí)，兩光場(chǎng)會(huì)錯(cuò)開(kāi)，條紋只出現(xiàn)在相交的部分，亮條紋的亮度比單一光場(chǎng)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(guò)Linear?Phase元件產(chǎn)生一個(gè)傾斜的平面波，另一部分通過(guò)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(guò)調(diào)整α和β角度參數(shù)，來(lái)探究平面波傾斜程度與最終干涉光場(chǎng)分布的關(guān)系。

2.3?馬赫-曾德?tīng)柛缮婺M

VirtualLab可模擬多種干涉儀的光路，我們可以來(lái)模擬馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)元件的參數(shù)更改，我們得到的輸出光場(chǎng)也有相對(duì)應(yīng)的改變，我們可以通過(guò)計(jì)算和分析來(lái)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(guò)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(tái)對(duì)平面波與球面波干涉、馬赫-曾德?tīng)柛缮鎺讉€(gè)干涉系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，通過(guò)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(lái)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(zhǎng)選擇開(kāi)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(jiǎn)介：

安婷雯（1998—），女，蒙古族，遼寧省大連市人，本科生，單位：沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院凝聚態(tài)專(zhuān)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(yáng)市人，副教授，光學(xué)博士，單位：沈陽(yáng)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。