基于VirtualLab的干涉光路模拟
2021-11-10安婷雯陈秀艳
安婷雯 陈秀艳
摘要：通过在VirtualLab平台对光波的叠加，平面波与球面波干涉、马赫-曾德尔干涉几个干涉系统的建模与实验仿真，阐述了VirtualLab仿真模拟技术在干涉中的多种应用，通过VirtualLab平台的仿真技术，简化了光学实验的复杂性，将其简化成简单的流程图。让光学研究变得更加高效，清晰。
关键词：VirtualLab 仿真;干涉光路;马赫-曾德尔干涉
1 引言
随着科技的发展，光学的研究也愈加多样，学者们热衷于各种新颖的光学系统的设计和光学器件研究[1、2]，但实际光学实验因为各种因素难以展开，如：昂贵的仪器、实验中严苛的条件，光学结果不稳定。各种大功率激光实验还有危险因素。这时，随着计算机技术的发展，各种仿真软件的诞生大大提高了光学研究的效率，降低了光学实验的危险性[3]。本文以平面波与球面波干涉、马赫-曾德尔干涉几个干涉系统为例，介绍光学模拟设计平台VirtualLab在光的干涉中的应用。体现出仿真结果与实验结果的高吻合，可以精确快速的完成仿真模拟，展现出仿真技术在光学研究以及教学领域的重要性[4、5]。
2 干涉应用举例
2.1 光波叠加
VirtualLab可以实现两个单色光波的叠加模拟。在光路中，Ideal Beam Splitter元件将入射的平面光波分为两部分，在两个光路中加入Linear Phase元件，来改变两个光场E1、E2的传播方向。
在Linear Phase元件中，我们可以通过调整笛卡尔坐标下的α和β角度来给E1、E2加以不同的线性相位，使它们朝着不同方向偏转。（α和β分别表示新方向在xz和yz平面内的投影与z轴的夹角。）传播到一定位置，当E1、E2重合时，便会出现明显的干涉条纹。当我们将Linear Phase元件α和β角度设置为0.3时，便会出现间距较大的条纹。将Linear Phase元件α和β角度设置为0.5时，便会出现比之前细密的条纹。可见，当α，β越大，条纹越密集。当传播距离为50mm时，两光场会错开，条纹只出现在相交的部分，亮条纹的亮度比单一光场的亮度强。
2.2 球面波与平面波的干涉
VirtualLab可模拟多种波的干涉，首先用Ideal Beam Splitter元件将入射的平面光波分解为能量相同两部分，一部分通过Linear Phase元件产生一个倾斜的平面波，另一部分通过Sphencal Phase元件将一束平面波调制成了球面光波，两束光波在Virtual Screen元件处发生干涉[7]。调制后的平面波与球面波出现环形干涉条纹。
在此干涉中，同样也可以像2.1中的系统一样，通过调整α和β角度参数，来探究平面波倾斜程度与最终干涉光场分布的关系。
2.3 马赫-曾德尔干涉模拟
VirtualLab可模拟多种干涉仪的光路，我们可以来模拟马赫-曾德尔干涉仪的光路流程，同样用Ideal Beam Splitter元件将入射的平面光波分解为能量相同两部分，一部分通过Double Interface Component元件后由Ideal Plane Mirror元件反射向Virtual Screen元件方向。另一束光通过Ideal Plane Mirror元件反射到Spherical lens元件上，在传播中与另一束光产生干涉，由Virtual Screen元件接收。
同样，我们还可以对光路中的Spherical lens元件参数进行设置，当设置偏转角度为5°时，干涉条纹中心向右移动，当设置偏转角度为10°时，干涉条纹中心向右侧移动更多。当球面镜偏转角度增大时，干涉图样的偏移程度也越大。
由此，我们可以看到，对元件的参数更改，我们得到的输出光场也有相对应的改变，我们可以通过计算和分析来找到两者的联系，从而可以实现由参数的改变推断出干涉图样的变化，也可以通过干涉图样的改变推算出是哪个元件参数发生改变。
3 结论
本文使用VirtualLab平臺对平面波与球面波干涉、马赫-曾德尔干涉几个干涉系统进行了仿真，通过依据现实器件搭建光学流程图，合理设置各个元件参数，就可以得出实验图样，确保了实验的准确性、稳定性、安全性。虚拟仿真技术在未来可以进行更多高难度的光学实验和核心光学器件研究工作。
致谢：
感谢迅技光电科技（上海）有限公司提供的软件服务
参考文献：
[1]李雨蔚.基于VirtualLab的波长选择开关仿真技术研究[D].中央民族大学，2020.
[2]WANG Yuhcng，CHANG Yilin，ZHANG Jianqi，LU Guanghao，WEI Zhixiang.Semitransparent Flexible Organic Solar Cells.高等学校化学研究：英文版，2020，36（3）：343-350.
[3]吕依颖.光学实验的VirtualLab设计仿真研究[J].枣庄学院学报，2016，33（05）：111-115
[4]王驰，孙凡，于洋，等.VirtualLabTM在微小梯度折射率透镜性能分析中的应用[J].光学精密工程，2015，23（10）：215-220.
[5]尚学府，吴慧，王亚伟.干涉的模拟—VirtualLab虚拟光学仿真软件辅助光学教学[J].物理通报，2013（4）：77～79.
[6]韩振海.VirtualLab虚拟仿真在物理光学中的应用[J].河西学院学报，2016，33-38.
作者简介：
安婷雯（1998—），女，蒙古族，辽宁省大连市人，本科生，单位：沈阳师范大学物理科学与技术学院凝聚态专业，研究方向：新型光电材料性能研究。
陈秀艳（1978—），女，汉族，辽宁省沈阳市人，副教授，光学博士，单位：沈阳师范大学物理科学与技术学院，研究方向：光电子器件与光电材料。
