射线光学模块

模拟大型光学系统中的光线轨迹

“射线光学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加模块,支持您使用光线追迹法对电磁波的传播进行建模,其中波的传播作为射线进行处理,可以被反射、折射或吸收。这种电磁辐射的处理方式采用近似方法,当几何结构大于波长时,这种方法非常适用。

通过将“射线光学模块”与 COMSOL 产品库中的其他模块结合使用,可以在具有温度梯度和变形的几何结构中进行光线追迹,从而在单个仿真环境中执行高保真结构-热-光学性能(STOP)分析。

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光谱仪模型,其中以红色、绿色和蓝色显示射线图。

STOP 分析

光学系统可能对周围环境的变化极为敏感,包括高空、太空、水下环境以及激光和核设施。这种光学系统会受到结构载荷和极端温度的影响,充分捕捉这些环境影响的最准确方法是通过 STOP 分析进行数值仿真。借助 COMSOL Multiphysics® 软件,您可以在一个模型中对结构、热和光学效应进行耦合分析,从而在热应力引起的变形几何中追踪射线,而内置的材料模型则可以分析折射率的温度相关性。

不仅如此,您还可以将“射线光学模块”与提供结构和热建模扩展功能的其他附加模块耦合使用,从而在仿真中考虑热辐射、共轭传热、超弹性材料,以及压电效应。

射线光学模块支持的建模对象

使用 COMSOL® 软件执行光学射线追踪分析。

双高斯透镜模型的特写视图,其中显示射线轨迹和 d 线折射率。

透镜

分析光学系统的单色像差。

微型相机模型的特写视图,其中显示射线轨迹。

相机

设计具有多个非球面的相机模组。

蝴蝶结型激光腔模型的特写视图,其中显示射线轨迹。

激光腔

使用射线追踪功能预测激光的稳定性。

带有射线轨迹的激光聚焦系统的特写视图。

激光聚焦系统

追踪穿过高功率激光聚焦系统的光线。

菲涅尔棱体模型的特写视图,其中显示射线传播。

棱镜和涂层

使用内置的 Stokes-Mueller 形式来操控光的偏振。

牛顿望远镜模型的特写视图,其中显示变形和射线轨迹。

望远镜

分析穿过各种望远镜系统的光线。

酒店模型的特写视图,其中显示地面的焦散面。

太阳辐射

分析反射线和碟式太阳能聚光器/接收器系统。

显示射线图的单色器模型的特写视图。

光谱仪和单色器

使用光栅或色散介质分离复色光。

带有传播射线的干涉仪模型的特写视图。

干涉仪

模拟射线与平移和旋转表面的相互作用。

微光刻透镜模型的特写视图,其中显示传播射线。

紫外光刻技术

将紫外线聚焦到硅基板上的亚微米点。

射线光学模块的特征和功能

“射线光学模块”采用光线追迹法对光的传播和电磁辐射进行建模。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“几何光学”节点;“图形”窗口中显示双高斯透镜。

几何光学

您可以使用“几何光学”模拟电磁波在大型光学结构中的传播,在几何光学 接口包含射线强度和偏振的内置处理功能,其中采用 Stokes-Mueller 演算的形式进行强度计算,可以方便地跟踪完全偏振、非偏振和部分偏振的射线。

在这个接口提供一种灵活的射线追踪算法,可以追踪射线在均匀折射率和渐变折射率(GRIN)介质中的传播;射线也可以呈单色或多色,您可以在其中指定波长分布或输入一组离散值。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“加载的零件”节点,并显示其对应的“设置”窗口。

透镜和反射镜几何

“射线光学模块”提供一个基本几何零件库,其中包含反射镜、透镜、棱镜和孔径光阑等。这些都是完全参数化的零件,其中许多零件都包含具有不同输入参数组合的变体,因此,您可以方便地修改这些零件来满足自己的光学设计需求。

例如,您可以将球面镜或锥面镜插入几何序列;指定表面是凹面还是凸面;输入其曲率半径;然后指定平面镜(如果有)的孔径、外径和直径。您可以手动调整这些输入,也可以通过运行参数化扫描 研究来进行调整。不仅如此,您还可以使用内置工作平面,相对于之前插入的零件对当前零件进行定向;零件可以自动创建命名的选择,方便您轻松地将边界条件指派给正确的表面。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“光栅”节点;“图形”窗口中显示光谱仪。

通用直观的特征

射线可以自动检测其路径中的几何边界,您无需指定射线-边界相互作用的顺序。当一束射线到达物体表面时,它可以被漫反射、镜面反射、折射或吸收。您也可以指定特定条件下的边界相互作用,或在给定概率的两个不同边界相互作用之间进行随机选择。

在电介质之间的边界上,每一束入射线都被明确地分成反射线和折射线。此外,系统还会自动检测全内反射。如果求解射线强度,则会根据菲涅尔方程自动更新反射线和折射线的强度。您也可以在材料不连续处定义薄介电层,并将其用作滤波器、抗反射涂层或介质反射镜。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“受照面”节点;“图形”窗口中显示两个反射镜模型。

射线释放机制

通过直接输入射线坐标,从文本文件导入坐标,或者从选定的几何实体释放射线,都可以将射线初始化。您可以从几何结构中的任何域、边界、边或点选择中释放射线。不仅如此,本模块还提供专门的特征,用于在地球表面的指定位置产生太阳辐射,或者从被照射的边界释放反射线或折射线。

在求解射线强度时,通过使用表达式或是在模型中加载光度数据文件(特别是 IES 文件),可以将射线初始化。其他预定义的射线释放特征可用于模拟黑体辐射和高斯光束传播。

射线在每个释放位置,都可以在用户指定的方向发射;您也可以从球形、半球形、锥形或朗伯分布中对多个不同的方向进行采样。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“射线热源”节点,“图形”窗口中显示两个透镜。

射线加热

射线加热 接口用于模拟大型光学系统中的电磁波传播,其中射线和温度分布是双向耦合的。由于吸收介质中的射线衰减而损失的能量会产生一个热源,并包含在温度计算中。

“介质属性”节点“设置”窗口的特写视图,“图形”窗口中显示双高斯透镜模型。

光学和热光色散模型

用户既可以直接指定每种介质的折射率,也可以基于光学色散关系进行推导。您不仅可以从材料数据库加载色散系数(如 Sellmeier 系数),还可以在用户定义的材料中直接输入。折射率可以是复值,其中实部确定介质中的光速,虚部则引起光线衰减或增益。

热光色散系数还可用于根据温度调整折射率。此外,本模块还提供温度相关的 Sellmeier 色散模型,将温度和波长的依赖关系组合成一组 Sellmeier 系数,尤其适用于研究低温材料。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“材料”节点;“图形”窗口中显示 Petzval 透镜模型。

光学材料库

光学材料库包含肖特科技、成都光明光电股份有限公司、株式会社小原公司和康宁公司的玻璃数据,以及各种气体、金属和聚合物。对于其中大多数光学玻璃来说,折射率是以通过一组光色散系数作为波长的函数给出。

除折射率以外,光学材料库中的许多光学玻璃还提供结构和热属性,比如密度、杨氏模量、泊松比、线性热膨胀系数、导热系数和比热容。通过包含这些结构和热属性,可以进一步促进 STOP 耦合分析。此外,玻璃的内部透光率也以波长函数的形式列在表格中,因此我们可以预测光在介质中的衰减情况。

两个“图形”窗口的特写视图,其中分别显示点列图和像差图。

光学性能可视化

借助 COMSOL Multiphysics® 的后处理工具,您可以创建信息丰富且美观的仿真结果。您可以在二维或三维模式中将射线绘制成线、管、点和矢量,并根据任意表达式对射线进行着色,表达式可以在不同的射线之间变化,甚至可以沿每条射线的路径变化。在求解射线强度时,您还可以沿射线绘制偏振椭圆。

除此之外,COMSOL Multiphysics® 软件还提供足够的灵活性,不仅可以显示射线路径,也可以生成其他专用绘图以方便您查看干涉条纹,还能将光程差分解为单独的单色像差项。此外,您还可以绘制射线与平面、球体、半球或更特殊表面的交点。

Vdara 是 CityCenter Land, LLC. 的注册商标。

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