Геометрическая оптика

Трассировка оптических лучей в масштабных оптических системах

Модуль «Геометрическая оптика» расширяет возможности программы COMSOL Multiphysics® и позволяет моделировать распространение электромагнитных волн с помощью технологии трассировки оптических лучей. Распространяющиеся волны описываются как лучи, которые могут отражаться и преломляться на границе сред, а также поглощаться в среде. Данная методика использует релевантные приближения для геометрий, размеры которых намного больше рассматриваемой длины волны.

При сочетании инструментов модуля «Геометрическая оптика» и других продуктов COMSOL становится доступной трассировка оптических лучей при наличии градиента температуры и механических деформаций. Данный тип исследований получил название STOP-анализ (в англ. Structural-Thermal-Optical Performance).

Связаться с COMSOL
Трассировка лучей в оптическом спектрографе.

STOP-анализ

Оптические системы могут быть чрезвычайно восприимчивы к изменениям окружающей их среды, особенно при работе в экстремальных условиях: под водой, на большой высоте, в открытом космосе, в составе лазерных систем или устройств для ядерной промышленности. На такие оптические приборы могут влиять механические нагрузки и экстремальные перепады температуры. Наиболее эффективным и точным способ прогнозирования этих эффектов является численный STOP-анализ. Программа COMSOL Multiphysics® позволяет учесть все эти мультифизические явления в одной интегрированной среде моделирования и легко выполнить комплексный анализ механических, тепловых и оптических явлений, и в т.ч. провести трассировку оптических лучей в деформированных под действием термических напряжений геометриях и с учётом встроенных моделей термооптической дисперсии.

Модуль «Геометрическая оптика» можно использовать вместе с другими модулями расширения, обеспечивающими широкий функционал для механического и теплового моделирования, например, для учёта теплового излучения, сопряжённого теплообмена, сверхупругих материалов и пьезоэлектрических явлений.

Типовые области применения модуля «Геометрическая оптика»

Примеры задач трассировки лучей в оптических системах, которые могут быть решены в программе COMSOL®.

Траектории лучей в двойной линзе Гаусса, цветом показан коэффициент рефракции вдоль d-линии.

Линзы

Анализ монохроматических аберраций в оптических системах.

Трассировка лучей в модуле камеры.

Объективы и модули камер

Разработка модулей камер с несколькими асферическими поверхностями.

Траектории лучей в резонаторе в форме "галстука-бабочки".

Лазерные резонаторы

Оценка стабильности лазерных резонаторов в формализме геометрической оптики.

Трассировка лучей в системе фокусировки.

Системы фокусировки

Трассировка лучей в системах фокусировки мощных лазерных пучков.

Трассировка лучей и их поляризация в ромбе Френеля.

Призмы и покрытия

Управление поляризацией света в формализме Стокса-Мюллера.

Трассировка лучей в деформированном телескопе Ньютона.

Телескопы

Анализ прохождения лучей в оптических телескопах различной конфигурации.

Каустическая поверхность, сформированная отражением света от здания отеля.

Солнечное излучение

Отражение и концентрация лучей в солнечных тарелках и задачах архитектурной оптики.

Трассировка лучей в монохроматоре.

Спектрометры и монохроматоры

Выделение полихроматического света с использование дифракционных решеток и дисперсионных сред.

Распространение лучей в интерферометре Саньяка.

Интерферометры

Моделирование взаимодействия лучей с перемещающимися или вращающимися поверхностями.

Распространение лучей в системе микролитографии.

Ультрафиолетовая литография

Анализ фокусировки ультрафиолетового излучения на субмикронных мишенях на поверхности кремниевых подложек.

Основные функциональные возможности модуля «Геометрическая оптика»

Ниже систематизированы и описаны ключевые инструменты модуля «Геометрическая оптика» для типовых задач трассировки лучей.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел интерфейса Geometrical Optics, в графическом окне визуализирована модель двойной линзы Гаусса.

Геометрическая оптика

Интерфейс Geometrical Optics, как основной интерфейс модуля, может быть использован для моделирования распространения электромагнитного излучения в оптически больших системах. Доступен расчёт интенсивности и поляризации лучей с использованием формализма Стокса-Мюллера, который позволяет отслеживать полностью поляризованные, неполяризованные и частично поляризованные лучи.

Гибкий алгоритм трассировки подходит для моделирования как однородных, так и неоднородных градиентных сред. Можно исследовать как монохроматический, так и полихроматический свет, при этом в последнем случае задается некоторое распределение или набор длин волн.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел геометрической заготовки, в графическом окне визуализирована модель компактного модуля камеры.

Геометрии линз и зеркал

Вместе с модулем «Геометрическая оптика» поставляется библиотека CAD-заготовок типовых оптических компонентов, таких как зеркала, линзы, призмы, апертуры. Каждая из заготовок полностью параметризована, доступны несколько вариаций формата задания входных параметров, так чтобы было удобно модифицировать оптическую конструкцию.

Например, вы можете добавить в геометрическую последовательность сферическое или коническое зеркало; указать тип поверхности — вогнутая или выпуклая; задать радиус кривизны; указать диаметр в свету, полный диаметр и т.п. Эти входные данные можно изменять вручную или в рамках Parametric Sweep. Кроме того, геометрические заготовки можно ориентировать относительно других элементов, а также задавать автоматические выборки для быстрого назначения граничных условий.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Grating, в графическом окне визуализирована модель спектрографа.

Отражение и преломление

Лучи автоматически детектируют геометрические границы на своем пути, при этом не требуется задавать порядок их взаимодействия. При достижении границы луч может быть отражен по зеркальному или диффузионному закону, преломлён или поглощён. Можно задать логическое условие или срабатывание одного из двух условий с некоторой вероятностью.

На границе диэлектрической среды падающий луч разделяется на отраженный и преломлённый лучи. Полное внутреннее отражение детектируется автоматически. Если ведется расчёт интенсивности, то она автоматически обновляется для отраженного и преломлённого лучей на основе формул Френеля. Доступно задание тонких диэлектрических слоёв на границе раздела сред, которые можно использовать как фильтры, антиотражающие покрытия или диэлектрические зеркала.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Illuminated Surface, в графическом окне визуализирована модель отражателя солнечной тарелки.

Механизмы запуска лучей

Запуск лучей может быть произведен из точек, заданных по координатам, на основе текстового файла или с выбранных геометрических элементов. Так лучи можно запустить на основе любой выборки доменов, границ, отрезков или точек геометрии. Также доступны специальные условия для имитации солнечного излучения в указанной точке поверхности Земли или запуска отраженных или преломлённых лучей с облучаемой поверхности.

При учёте интенсивности лучей её начальное значение может быть задано на основе выражения или через загрузку фотометрических данных (из файла формата IES). Доступны также специализированные условия для описания излучения абсолютно чёрного тела, а также для запуска гауссовых пучков.

При запуске может быть указано направление с помощью пользовательского выражения или на основе классических распределений типа сферического, полусферического, конического или по Ламберту.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Ray Heat Source, в графическом окне показана модель нагрева системы из двух линз мощным лазерным пучком.

Лучевой нагрев

Интерфейс Ray Heating может быть использован для моделирования распространения электромагнитных волн в оптически больших системах, в которых существует двусторонняя связь между лучами и распределением температуры. В такой постановке потери энергии обусловлены поглощением в среде, а соответствующий источник тепла включается в тепловой расчёт.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел Medium Properties, в графическом окне показана модель двойной линзы Гаусса.

Модели оптической и термо-оптической дисперсии

Коэффициент рефракции среды можно задать явно, либо он может быть определён на основе дисперсионного соотношения. Коэффициенты дисперсии, например по Зельмееру, могут быть взяты из встроенной библиотеки материалов, либо подгружены вручную. Коэффициент рефракции может быть задан комплексным, в этом случае действительная часть определяет замедление скорости света в среде, а мнимая отвечает за потери или усиление.

Коэффициенты термо-оптической дисперсии определяют зависимость коэффициента рефракции от температуры. Доступна также модель дисперсии по Зельмееру с температурной зависимостью, в которой скомбинированы зависимости от температуры и длины волны. Данная модель особенно полезна для описания криогенных материалов.

Скриншот интерфейса ПО: в дереве модели выделен узел материала, в графическом окне показана модель объектива Петцваля.

Библиотека оптических материалов

В библиотеке оптических материалов, которая встроена в модуль «Геометрическая оптика», содержатся данные по оптическим стеклам таких производителей как SCHOTT AG, CDGM Glass Company Ltd., Ohara Corporation и Corning Inc., а также данные по некоторым газам, металлам и полимерам. Для оптических материалов заданы коэффициенты рефракции как функции от длины волны через набор коэффициентов дисперсии.

Помимо оптических свойств, в этой библиотеке для материалов заданы механические и термодинамические свойства, такие как плотность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент термического расширения, теплопроводности и теплоёмкость. Эта информация упрощает проведение STOP-анализа.

Кроме того, доступны данные о внутреннем пропускании стёкол и его частотной зависимости, что позволяет описывать поглощение света в различных средах.

Визуализации точечных диаграмм и диаграмм аберрации для модели телескопа Ньютона.

Визуализиация оптических характеристик

В постобработке с помощью встроенных инструментов COMSOL Multiphysics® пользователь может визуализировать результаты в информативном, наглядном и эстетически красивом формате. Ход лучей может быть представлен линиями, трубками, точками и векторами в 2D и 3D. Цвет лучей может быть задан пользовательским выражением и может меняться вдоль траектории и от луча к лучу. При учёте интенсивности доступна визуализация эллипсов поляризации вдоль лучей.

Гибкие специализированные инструменты постобработки, доступные в модуле «Геометрическая оптика» позволяют строить графики интерференционных паттернов и оптических аберраций, а также точечные диаграммы, показывающие пересечения лучей и границ, в т.ч. специфичной формы.

Vdara — это зарегистрированный товарный знак компании CityCenter Land, LLC.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе