Геометрическая оптика

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.