射线光学模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本为“射线光学模块”的用户引入了具有显著改进和更新的光学材料库,其中列出了 500 多种光学玻璃的结构力学属性、热属性,以及光学色散系数和内部透射率数据。此外,还引入了新的射线释放特征,用于对高斯光束和表面黑体辐射的发射进行建模。

光学材料库改进

在可用于“射线光学模块”和“波动光学模块”的“光学”材料库中,来自肖特集团、成都光明光电股份有限公司、Ohara 公司和康宁公司的玻璃现在具有更全面的材料数据。除了光学色散系数和热光系数外,许多玻璃现在还包含内部透射率、密度、杨氏模量、泊松比、线性热膨胀系数、热导率和比热容。随着光学玻璃包含更全面的材料数据,现在比以往任何时候都更容易建立耦合的综合结构-热-光学性能 (STOP) 分析模型。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示一个材料节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示 Petzval 透镜模型,“添加材料”窗口显示光学材料选项。 追踪 Petzval 透镜中三个不同视场角的射线,其中黄光折射率显示为切面图。光学玻璃从右侧显示的“光学”材料库加载。


您可以在新增的 Petzval 透镜优化模型和以下现有教学案例中看到这些改进功能:

定义吸收介质的新方法

新版本在几何光学 接口中添加了定义吸收介质的新方法。首先,您可以直接指定衰减系数。或者,您也可以输入内部透射率,给出忽略表面菲涅尔损耗,透过给定厚度的材料样品的光强分数。光学材料库中的许多材料现在通过包含内部透射率数据的查找表来控制吸收特性。在以前的版本中,设置吸收介质的唯一方法是直接输入折射率的实部和虚部(虚部或负虚部有时称为消光系数)。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“介质属性”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示包含射线轨迹的圆柱体模型。 用户定义的材料中内部透射率输入的屏幕截图。

高斯波束射线释放特征

求解射线强度或功率时,您现在可以使用高斯光束 释放特征,释放初始强度或功率为高斯分布的射线。您还可以指定束腰半径、光束发散半角或瑞利范围,软件会自动计算光束的强度分布。高斯光束 特征有两种不同的使用方式。如果光束的瑞利范围与模型几何尺寸相比非常小,那么这个特征会将光束视为点源,从这个点源发出的射线呈锥形分布,其初始强度随角度变化。如果瑞利范围明显大于几何尺寸,您可以释放一个准直光束,其中射线都遵循平行路径。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“高斯光束”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示梁模型。 高斯光束射线释放特征的设置,其中显示一个典型的光束,其颜色表达式与射线功率成正比。

黑体辐射射线释放特征

现在,您可以从具有理想黑体辐射源的功率和波长分布的表面释放射线。三维模型中提供的专用黑体辐射 特征可以根据表面温度指派释放射线的初始强度和功率。如果几何光学 接口已配置为支持释放复色光,软件会根据表面温度从普朗克分布函数中自动采样射线的波长或频率。新版本中更通用的射线释放特征(如从栅格释放从边界释放)还支持您按照普朗克分布释放复色光,但在这种情况下,初始射线强度和功率需要单独指定。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“黑体辐射”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示冷却凸缘模型。 冷却凸缘表面的黑体发射。射线按其功率成比例地以灰度着色。

指定初始强度分布的新方法

新设置可用于释放具有初始射线功率加权分布的射线。在大多数射线释放特征(如释放从栅格释放)的设置中,您可以选择指派初始强度或功率的加权分布。所有射线的总功率加起来仍将达到指定的总源功率,但单条射线的功率可以与权重因子成正比,权重因子可以是初始射线位置和方向的函数。这可以用于为定制射线源指派方向性。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“从栅格释放”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示包含射线轨迹的模型。 具有加权初始射线功率的射线释放特征的设置。

从文件中加载射线坐标时的转变

使用根据数据文件释放 节点从文件中加载射线释放位置时,您现在可以对初始坐标应用转变。您可以使用膨胀(缩放)、旋转和平移的任意组合。如果初始射线方向也是从文件中加载的,您可以对位置和方向应用相同的旋转。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“根据数据文件释放”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示灯模型的三个结果。 根据数据文件释放特征的两个实例用于移动、旋转和缩放由灯源释放的光线分布。

折射率和阿贝数的后处理更容易

内置后处理变量现在可用于氦黄线、氢蓝线和氢红线的折射率。新版本中还定义了阿贝数。这些内置变量可用于任何绘图类型(如切面 图或 图),从而将射线光学模型中所有光学玻璃的折射率或色散可视化。您可以在现有的双高斯透镜Petzval 透镜教学案例中查看这些新增的后处理特征。

二维绘图,以 Rainbow 颜色表显示 Petzval 透镜模型的射线轨迹。 Petzval 透镜教学案例中的绘图。沿射线的颜色表达式表示射线与像平面中光斑中心的距离。透镜中的颜色显示其黄光折射率。双胶合透镜中的矽酸玻璃与氧化铅玻璃形成鲜明对比。

非局部耦合的简化名称

几何光学 接口定义了计算模型中射线表达式的总和、平均值、最大值或最小值的耦合。在新版本中,这些耦合的名称已简化,以便于使用。您可以在以下现有模型中查看此更改:

下表列出了新旧耦合名称。

耦合描述 旧名称 新名称
对射线求和 gop.gopop1(expr) gop.sum(expr)
对所有射线求和 gop.gopop_all1(expr) gop.sum_all(expr)
对射线求平均值 gop.gopaveop1(expr) gop.ave(expr)
对所有射线求平均值 gop.gopaveop_all1(expr) gop.ave_all(expr)
对射线求最大值 gop.gopmaxop1(expr) gop.max(expr)
对所有射线求最大值 gop.gopmaxop_all1(expr) gop.max_all(expr)
对射线求最小值 gop.gopminop1(expr) gop.min(expr)
对所有射线求最小值 gop.gopminop_all1(expr) gop.min_all(expr)
在射线的最大值下计算 gop.gopmaxop1(expr, evalExpr) gop.max(expr, evalExpr)
在所有射线的最大值下计算 gop.gopmaxop_all1(expr, evalExpr) gop.max_all(expr, evalExpr)
在射线的最小值下计算 gop.gopminop1(expr, evalExpr) gop.min(expr, evalExpr)
在所有射线的最小值下计算 gop.gopminop_all1(expr, evalExpr) gop.min_all(expr, evalExpr)

旧名称在 6.0 版本中仍然有效,因此无需更新任何现有模型。

基于电场释放性能改进

在新版本中,基于相邻域的全波有限元解,更容易释放具有初始强度和偏振的射线。使用基于电场释放 节点时,您现在可以直接根据在相邻域中求解的场的坡印廷矢量获取初始射线方向。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“基于电场释放”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示二维模型。 基于 电磁波,波束包络接口的全波有限元解用于初始化释放的射线的强度、偏振和方向。

弯曲光栅的处理得到改进

弯曲衍射光栅中槽间距的解释现在更透明,也更容易定制。您可以选择是否将指定的光栅常数解释为光栅表面上的槽间距(在 5.6 版本及更早版本中一直如此),也可以选择指定的光栅常数是否实际上是切平面上槽之间的投影距离。您可以在新增的罗兰圆光谱仪模型中查看这一特征的应用演示。

COMSOL Multiphysics 用户界面,显示了“模型开发器”,其中突出显示“光栅”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示圆光谱仪模型。 用于解释 光栅边界条件的光栅常数的新设置。

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本的“射线光学模块”引入了三个新的教学案例。