射线光学模块

大型光学系统中的射线追踪模拟

射线光学模块

本教学模型显示了如何追踪通过牛顿望远镜光学系统的非偏振光轨迹。入射光线从一个抛面镜反射到一个平面副镜,后者将光线反射至焦平面。这种系统首次由牛顿在 1668 年发明,由于其组装成本低而沿用至今。

射线轨迹的有效和通用计算

射线光学模块用于模拟波长远小于模型最小几何细节的系统中电磁波的传输。电磁波可以看做在均匀或渐变介质中传输的射线。由于没有必要在有限元网格中分析波长,射线轨迹可以在较低的计算成本下求解较长距离的传输。同时,射线在不同介质分界面上可以产生反射和折射现象。

射线追踪求解步骤中的简捷设定

射线光学模块内置各种相关边界条件,其中包括镜面和漫反射组合。射线可以从模型内部区域、边界或是均匀格点上释放。同时还包括一些专用的释放功能用于模拟太阳辐射或是照射面的反射、折射产生的光线发射。通过专业后处理工具来分析光线轨迹,分析许多光线上的表达式,并可视化干涉图。


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  • Czerny-turner 单色器从空间上把多色光分解为一系列单色光。该模型模拟了十字形 Czerny-turner 结构,它包含一个球面准直镜,一个平面衍射光栅,一个球面反射镜,以及一个阵列电荷耦合器(CCD)检测器。模型使用射线光学接口计算在检测器平面上如何得到光的位置,并且可以得到设备的分辨率。 Czerny-turner 单色器从空间上把多色光分解为一系列单色光。该模型模拟了十字形 Czerny-turner 结构,它包含一个球面准直镜,一个平面衍射光栅,一个球面反射镜,以及一个阵列电荷耦合器(CCD)检测器。模型使用射线光学接口计算在检测器平面上如何得到光的位置,并且可以得到设备的分辨率。
  • 起偏器和波延迟器等光学器件的组合可以用来控制透射光线强度和偏振。在该模型中,两个彼此正交的线性起偏器用来减少光线强度至零。然后研究当四分之一波或半波延迟器放置在两个起偏器之间时透射光线的强度和偏振。 起偏器和波延迟器等光学器件的组合可以用来控制透射光线强度和偏振。在该模型中,两个彼此正交的线性起偏器用来减少光线强度至零。然后研究当四分之一波或半波延迟器放置在两个起偏器之间时透射光线的强度和偏振。
  • 抛物面型的碟状结构可以收集太阳能到一个目标(收集器),产生很高的局部热通量。这可以产生用来发电的热流,或用于燃料的氢。在这个模型中计算了到达收集器的热通量作为辐射位置的函数,并与已发表的数值进行比较。校对了由于太阳有限尺寸、临边昏暗、碟表面粗糙度的影响。 抛物面型的碟状结构可以收集太阳能到一个目标(收集器),产生很高的局部热通量。这可以产生用来发电的热流,或用于燃料的氢。在这个模型中计算了到达收集器的热通量作为辐射位置的函数,并与已发表的数值进行比较。校对了由于太阳有限尺寸、临边昏暗、碟表面粗糙度的影响。

射线光学的多物理场应用

应力、温度或其他物理参数的改变一般会影响射线轨迹的分布,或是影响求解域的几何形状或折射率。类似地,高能射线能够产生显著的热源,改变温度场或引起明显的热应力。射线光学能够完全描述这些多物理应用的仿真。在求解域或边界上的累加器功能可以创建储存对应求解域或边界网格单元上的包含射线信息的因变量。专用功能还包括计算射线区域衰减或边界吸收产生的沉积功率。借助该功能还可以设置射线轨迹与其他物理接口中的因变量之间的单向或双向耦合。应用案例包括热透镜效应的自洽模型等。

射线分析中的专业后处理功能

您可以借助射线轨迹图中的颜色表达式或是变形操作实现射线可视化。这可以用于比如瞬态电场偏振振幅的可视化变形。射线绘图还可以实现在指定时间步长中所有射线或是两束射线相互作用时射线属性随时间的变化。借助干涉条纹图,可以观测偏振射线在相交切面上的干涉现象。其他后处理工具还包括射线数值估算中的表格生成功能,观测射线轨迹与平面相交的庞加莱图(点图),相空间中所有光线看作轨迹点时,两个变量的相互作用相图描述。

内置工具分析射线强度、极化等

几何光学物理场接口是射线光学模块内置的一个专业接口,用于模拟射线的传播。几何光学接口包含了一系列基于 Stokes 参数来计算射线强度的可选变量,以模拟偏振、部分相干、或非偏振辐射等现象。针对常见的光学器件,例如线偏振器和波延迟器等,模块自带的边界条件支持偏振属性的更改。当计算光线强度时,射线被看作波前,并会计算其曲率主半径,从而能够轻松可视化焦散表面。在介质分界面,可基于 Fresnel 方程计算反射和传输系数,还支持基于存在的介电薄膜进行校准。通过激活相变量,还可以研究瞬态电场,例如在干涉仪中的光传输。其他物理场接口设定还支持计算光程长度,允许按照频率分布释放射线,并提高了吸收介质中射线轨迹的精度。

射线追踪求解步骤中的简捷设定

虽然是在时域中计算射线轨迹,但却没有必要指定时间步长的列表。在射线追踪求解步骤中直接指定所需光程大小即可求解光线轨迹。如果所有的光线均已离开求解域或剩余光线能量强度忽略不计时,通过内置的停止条件可以终止瞬态求解器,从而阻止求解器占用不必要的时间步长,提高求解效率。

Michelson 干涉仪

衍射光栅

Vdara® 焦散面

引力透镜

碟形太阳能接收器

热致焦距漂移

多层抗反射涂层

角椎棱镜

分布式 Bragg 反射器

Czerny-Turner 单色器