光學(xué)實(shí)驗(yàn)的VirtualLab設(shè)計(jì)仿真研究

呂依穎

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊　277160)

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光學(xué)實(shí)驗(yàn)的VirtualLab設(shè)計(jì)仿真研究

呂依穎

(棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院，山東棗莊277160)

仿真模擬軟件的使用在光學(xué)研究中具有非常重要的意義.本文介紹了最新的光學(xué)建模與分析軟件VirtualLab，通過其在光學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用舉例，模擬了單縫衍射現(xiàn)象，邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置和雙折射晶體產(chǎn)生的偏振現(xiàn)象，并探討了該軟件在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.

光學(xué)實(shí)驗(yàn)；virtualLab仿真；衍射；邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)；偏振現(xiàn)象①

0　引言

隨著科技的發(fā)展，光學(xué)知識(shí)應(yīng)用日趨廣泛，光學(xué)相關(guān)內(nèi)容的研究和各類光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為了科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn).然而由于光學(xué)實(shí)驗(yàn)開展受到諸多因素的限制，例如嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件，昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器等，使得相關(guān)工作難以展開.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，軟件仿真技術(shù)日趨成熟，很多種仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生，如zemax、matlab軟件等，并且結(jié)果可信度高，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好.仿真技術(shù)的應(yīng)用在光學(xué)研究領(lǐng)域取得了明顯的成效[1-2].本文以光學(xué)中干涉和衍射理論為例，介紹最新的光學(xué)建模與分析軟件VirtualLab[3]在單縫衍射理論、邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)儀、牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)和偏振現(xiàn)象中的應(yīng)用.

1　理論基礎(chǔ)

1.1單縫衍射理論

一般認(rèn)為衍射可以分為夫瑯和費(fèi)衍射和菲涅耳衍射兩種基本類型.討論：菲涅耳-基爾霍夫衍射公式[3]：

(1)

當(dāng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件

(2)

衍射為夫瑯禾費(fèi)衍射.這里R為球面波半徑，r為衍射孔中球面波上任一點(diǎn)Q至接收屏上任一點(diǎn)P的距離.b為衍射孔到接收屏距離，σ為衍射孔面積，A為球面波在衍射孔處振幅.由此可見，夫瑯禾費(fèi)衍射為菲涅耳衍射的特例.

1.2邁克爾遜干涉儀介紹

如圖1所示，光路分為兩路，由光源s發(fā)出的光一部分經(jīng)G1，反射到平面鏡M2,又反射回G1,透過G1后射向觀察系統(tǒng)；另一部分光波經(jīng)過G1，G2經(jīng)平面鏡M1反射后又透過G2，再經(jīng)過G1下表面反射后進(jìn)入觀察系統(tǒng).這兩路光的干涉光程差隨著M1的位移而發(fā)生改變，表現(xiàn)為觀察條紋的變化，變化規(guī)律為條紋變化1條位移為半個(gè)入射波波長(zhǎng)[4]；當(dāng)M1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就形成了等厚干涉裝置，可以利用劈尖理論進(jìn)行分析.

圖1　邁克爾遜干涉儀光學(xué)原理圖　　　　圖2　牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)原理圖

1.3牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)理論介紹

如圖2所示，如果單色光源的波長(zhǎng)λ已知，只需測(cè)出第k級(jí)暗環(huán)的半徑rk，即可算出平凸透鏡的曲率半徑R，公式為[5]：

(3)

2　VirtualLab軟件介紹

VirtualLab軟件是目前市場(chǎng)上唯一的統(tǒng)一化光學(xué)建模平臺(tái)，它是由德國(guó)Light Trans 公司研發(fā)的一款物理光學(xué)數(shù)值分析軟件，與傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件相比，其最大的優(yōu)勢(shì)是采用了場(chǎng)追跡的理論，因此可以解決干涉、衍射、偏振和雙折射等物理光學(xué)的模擬[6～7].其light path diagram可以直觀的顯示組成光路的各元件及其連接情況，有助于理解光路組成；其3dvision模擬功能可以給出光路的3維視圖，有利于對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行直觀的可視化教學(xué)；軟件提供了含有大量光學(xué)元件的元件庫(kù)和五大工具箱，可以根據(jù)需要調(diào)用模塊，選用元件搭建光路，這就為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展提供了強(qiáng)有力的工具.

3　VirtualLab應(yīng)用舉例

3.1VirtualLab在單縫衍射理論中的應(yīng)用

首先用VirtualLab模擬了單縫夫瑯和費(fèi)衍射現(xiàn)象和菲涅耳衍射現(xiàn)象，將衍射圖樣通過圖形的形式顯示出來，同時(shí)給出了光強(qiáng)的分布曲線，有利于分析這兩種衍射模型的特點(diǎn).根據(jù)菲涅耳衍射理論，認(rèn)為在可見平面波照射的情況下，當(dāng)毫米量級(jí)縫與屏間距為1.88米以上就滿足夫瑯和費(fèi)衍射條件.圖3和圖4分別給出了相同縫寬的單縫夫瑯和費(fèi)衍射圖樣(單縫與屏間距為2米)和菲涅耳衍射圖樣(單縫與屏間距為1米).由圖可以清晰地看到兩種衍射的條紋圖樣和光強(qiáng)分布,與理論結(jié)果吻合很好.

3.2VirtualLab在邁克爾遜干涉儀模擬演示中的應(yīng)用

這里搭建的光路是使得兩平面鏡成一定夾角，得到的是等厚干涉的條紋.同時(shí)還可以通過改變劈尖夾角觀察劈尖角度對(duì)干涉條紋的影響，討論劈尖干涉特性.

圖3　單縫夫瑯和費(fèi)衍射圖樣　　　　　　　圖4　單縫菲涅耳衍射圖樣

圖5　邁克爾遜干涉儀3d視圖

圖6夾角為0.50，-715.06μm～1.5407mm　　　　　圖7夾角為10時(shí)干涉條紋，-711.37μm～1.5389mm

3.3VirtualLab在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

圖8給出了牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖.根據(jù)模擬結(jié)果除了可以直觀的看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還可以根據(jù)下面的一維曲線計(jì)算圖中任意兩條條紋的間距，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，有利于研究者在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中預(yù)判實(shí)驗(yàn)效果，從而為后續(xù)工作提供理論依據(jù).

圖8　牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果模擬圖

3.4VirtualLab在雙折射理論中的應(yīng)用

雙折射指的是光在各向異性媒質(zhì)(如晶體)中傳播，由于沿不同方向的傳播速率不同，出現(xiàn)的一束入射光折射出兩束折射光的現(xiàn)象.此現(xiàn)象因?yàn)橐话阍趯?shí)際中很難觀測(cè)到，借助VirtualLab軟件，可以將這一現(xiàn)象模擬出來.

由于光波入射到雙折射晶體中，除沿光軸方向外，都要發(fā)生雙折射，入射光將分解成振動(dòng)方向互相垂直，傳播速度不同，折射率不相等的兩種偏振光.通過觀測(cè)線偏振光經(jīng)雙折射元件1/4波片變?yōu)閳A偏振光的現(xiàn)象[8]，驗(yàn)證了雙折射現(xiàn)象.如圖9和圖10所示，我們可以明顯的看到線偏振光經(jīng)過雙折射元件1/4波片后變?yōu)榱藞A偏振光.

圖9　線偏光經(jīng)過1/4波片前的仿真圖　　圖10　線偏光經(jīng)過1/4波片后的仿真圖

4　結(jié)論

實(shí)踐表明，光學(xué)建模與分析軟件VirtualLab具有直觀、可視化強(qiáng)、功能強(qiáng)大、操作方便等優(yōu)點(diǎn).在研究的前期，使用該軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果可靠性強(qiáng)，可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)判斷，從而降低研究成本，提高研究效率，有很好的應(yīng)用前景.

[1]喬亮,羊富貴,夏忠朝. 基于Matlab的邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)仿真[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2015,28(2):93-95.

[2]閆昕.電磁波極化特性的MATLAB仿真[J].棗莊學(xué)院學(xué)報(bào),2014,31(5):51-53.

[3]付躍剛等.物理光學(xué)- VirtualLab虛擬仿真[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2015:56-88.

[4]趙凱華.物理學(xué)(下冊(cè))[M]北京：高等教育出版社，2007:94-142.

[5]蘇士田.牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的智能化測(cè)量研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報(bào),2014,31(2):40-43.

[6]鄭帆,陳亞軍,馬春林. 隨機(jī)粗糙面的仿真和電磁散射特性研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報(bào),2015,32(5):29-33.

[7]梁蘭菊,張新明,騰茂君. 電偶極子電磁場(chǎng)特性的可視化教學(xué)研究[J].棗莊學(xué)院學(xué)報(bào),2014,31(5):43-46.

[8]Site Zhang, Frank Wyrowski, Zero-order VS. multi-order waveplate [J].Applied Computational optics group,2015:1-4.

[責(zé)任編輯：閆昕]

Design and Simulation of Optical Experiment in VirtualLab

LV Yi-ying

(School of Opt-Electronic Engineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

Simulation technique is widely used in the study of Optics and it is irreplaceable. Examples of diffractions and interferences as well as polarizationphenomenon with double refraction simulated using VirtualLab are given. Then the applications in the teaching of experiments are discussed here.

optical experiment; virtualLab simulation; diffraction; michelson interference experiment; polarizationphenomenon

2016-07-29

棗莊學(xué)院普通物理(應(yīng)用型)精品課程建設(shè)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：233021502)；棗莊學(xué)院電子類平臺(tái)大學(xué)物理課程建設(shè)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2014A02-平臺(tái)).

呂依穎(1981-)，女，山東棗莊人，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院講師，理學(xué)碩士，主要從事基礎(chǔ)物理學(xué)教學(xué)和光學(xué)設(shè)計(jì)的研究.

0436.1

A

1004-7077(2016)05-0111-05