| infotek | 2022-09-06 11:28 |
VirtualLab Fusion物理光學實驗教程》 前言 在物理光學中，認為光是一種電磁波。在光的電磁場理論基礎上，研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如光的干涉、光的衍射、光的偏振等物理現(xiàn)象，進而研究這些規(guī)律和現(xiàn)象的應用。它是一門經(jīng)典理論與近代技術相結(jié)合的應用性很強的課程。由于學習物理光學需要具備較強的數(shù)學理論功底，并且對于物理光學中的概念和相關物理現(xiàn)象很難把握，因此使用物理光學仿真平臺搭建物理實驗模型，可以幫助學生更好的理解相關實驗內(nèi)容和實驗現(xiàn)象。 現(xiàn)代光學建模技術包含了幾何光學和物理光學兩大領域，幾何光學以費馬原理為基礎，通過折反定律來進行光線追跡，能夠快速實現(xiàn)整個系統(tǒng)地仿真，但忽略了衍射和矢量等波動光學效應；物理光學通常以求解麥克斯韋方程組為主，如使用FDTD或者FEM等通用的全局麥克斯韋仿真求解器對整個系統(tǒng)進行求解，從而獲得完整的電磁場信息，但由于計算量大而無法對整個復雜系統(tǒng)進行仿真。 為了滿足現(xiàn)代光學系統(tǒng)的建模需求，德國耶拿大學Prof. Wyrowski Frank開發(fā)了高速物理光學仿真軟件——VirtualLab Fusion，它利用先進的計算機數(shù)值模擬技術將物理光學中眾多具有復雜、抽象概念的實驗，通過簡單的流程圖操作形式進行建模，將物理實驗中不易得到的結(jié)果通過仿真展現(xiàn)出來，使得用戶可以脫離復雜、煩瑣的實驗搭建過程，從而更加直觀、方便的感受物理光學實驗中的各種光學現(xiàn)象，幫助用戶準確理解物理光學的核心內(nèi)容。 VirtualLab Fusion軟件當中集成了從幾何光學到物理光學的各種建模技術，如幾何光學算子、平面波角譜法、瑞利索墨菲算子、薄元近似和傅里葉模態(tài)法等，既能夠使用場追跡或經(jīng)典場追跡，從物理光學角度進行快速地仿真；也可以使用傳統(tǒng)的光線追跡，對系統(tǒng)進行分析。在VirtualLab中，我們根據(jù)場追跡的概念將系統(tǒng)分解成不同的區(qū)域，并選擇合適的麥克斯韋仿真求解器（建模技術）進行求解，之后通過序列或非序列方式將各個區(qū)域連接起來，從而達到對整個系統(tǒng)中求解麥克斯韋方程組的效果，以獲得完整的電磁場信息。另外，在軟件中我們引入了多種傅里葉變換算法，如經(jīng)典的快速傅里葉變換、半解析傅里葉變換以及幾何傅里葉變換以實現(xiàn)不同類型光場在時間域與頻率域間的快速轉(zhuǎn)換，這也進一步提高了模擬的效率。 | |