معرفی ماژول Ray Optics

انتشار COMSOL Multiphysics نسخه 5.0 شامل یک ماژول الحاقی جدید برای مدل‌سازی الکترومغناطیسی است: ماژول Ray Optics. این ماژول الحاقی اختیاری شامل رابط اپتیک هندسی است که می تواند برای مدل سازی انتشار امواج الکترومغناطیسی زمانی که طول موج بسیار کوچکتر از کوچکترین موجودیت هندسی در مدل است، استفاده شود. رابط Geometrical Optics شامل طیف گسترده ای از ویژگی ها و تنظیمات اختیاری است و کاملاً قابلیت چندفیزیک را دارد.

اپتیک هندسی، پوشش پرتو، یا الکترومغناطیسی تمام موج؟

COMSOL Multiphysics دارای سه محصول اضافی برای انتشار امواج الکترومغناطیسی است: ماژول اپتیک پرتو، ماژول نوری موج و ماژول RF. بیایید نگاهی به تفاوت ها بیندازیم.

الکترومغناطیسی تمام موج

ماژول RF و ماژول اپتیک موج هر دو یک واسط امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس را ارائه می دهند که شکل تمام موج معادلات ماکسول را از طریق روش اجزای محدود (FEM) حل می کند. این به یک شبکه المان محدود نیاز دارد که به اندازه کافی خوب باشد تا امواج الکترومغناطیسی را حل کند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

شبیه سازی موج کامل پراکندگی یک کره فلزی تغییرات در بزرگی میدان الکتریکی نیاز به یک شبکه ریز در همه جا دارد.

این رویکرد زمانی مناسب است که راه حل های مورد نظر ما دارای تغییرات قابل توجهی در همه جهات و در مقیاس طولی قابل مقایسه با طول موج باشند.

پاکت پرتو

ماژول اپتیک موج همچنین شامل رابط امواج الکترومغناطیسی، پوشش پرتو است که نسخه اصلاح شده معادلات موج کامل ماکسول را دوباره از طریق روش اجزای محدود حل می کند. فرمول Beam Envelopes به عنوان ورودی، به یک بردار موج تقریبی و به آرامی متغیر نیاز دارد. این فرمول به جای حل خود میدان های الکترومغناطیسی، دامنه میدان الکتریکی به آرامی متغیر را حل می کند.

شبیه سازی پاکت پرتو یک جفت کننده جهت. تغییر تدریجی در بزرگی میدان امکان ایجاد یک شبکه بسیار درشت در آن جهت را فراهم می کند.

مزیت فرمول Beam Envelopes این است که می توان از مش بسیار درشتی در جهت انتشار استفاده کرد. محدودیت این است که میدان بردار موج باید تقریباً یکنواخت باشد یا به آرامی در سراسر حوزه مدل‌سازی تغییر کند. با این حال، این در واقع برای طیف وسیعی از دستگاه های نوری مهم مانند فیبرهای نوری یا جفت های جهت دار صادق است.

اپتیک هندسی

ماژول Ray Optics شامل رابط Geometrical Optics است که امواج الکترومغناطیسی را به عنوان پرتوها در نظر می گیرد. از روش اجزای محدود استفاده نمی کند. در عوض، با حل مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل معمولی برای موقعیت و بردار موج، پرتوها را از طریق حوزه مدل سازی ردیابی می کند. اگرچه حوزه هایی که پرتوها از طریق آنها حرکت می کنند باید مشبک شوند، مش می تواند بسیار درشت باشد. فقط در سطوح منحنی باید توری تصفیه شود.

یادداشت ویرایشگر: از COMSOL Multiphysics® نسخه 5.2a، فضای خالی اطراف یک سیستم نوری دیگر نیازی به مش بندی ندارد. برای جزئیات بیشتر، به صفحه نکات برجسته انتشار مراجعه کنید .

شبیه سازی اپتیک هندسی پراکندگی موج صفحه از یک استوانه. شدت پرتو پس از انعکاس پرتوها توسط سطح منحنی کاهش می یابد و باعث واگرایی امواج می شود. به جز در مرزهای منحنی می توان از مش بسیار درشت استفاده کرد.

در ماژول Ray Optics چیست؟

ماژول Ray Optics پرتوهای نور منتشر شده از طریق رسانه های مختلف را ردیابی می کند و می تواند بسیاری از رفتارهای مختلف پرتوها را در مرزها در نظر بگیرد. وابستگی طول موج ضریب شکست رسانه ها را می توان در نظر گرفت. همچنین می توان شدت، فاز و قطبش نور را محاسبه کرد و این که چگونه پرتو از رسانه های مختلف عبور می کند و از مرزها تغییر می کند.

حال بیایید نگاهی عمیق‌تر به پدیده‌های فیزیکی مختلفی که می‌توان مدل‌سازی کرد، بیندازیم.

شکست و انعکاس در یک رابط دی الکتریک.

پرتوی از نور که از طریق محیطی با ضریب شکست یکنواخت منتشر می شود در یک خط مستقیم حرکت می کند. هنگامی که پرتو با یک رابط بین مواد با ضریب شکست مختلف مواجه می شود ، پرتو تا حدی منعکس و تا حدی شکست می شود. این رفتار توسط قانون اسنل و معادلات فرنل کنترل می شود و به طور خودکار توسط ماژول اپتیک پرتو در رابط بین مواد مختلف مدیریت می شود.

یک پرتو نور هنگام عبور از یک ماده شاخص درجه بندی شده خم می شود.

انتشار نور در محیطی با ضریب شکست غیریکنواخت در جهت ضریب شکست نسبتاً بالاتر خم می شود. چنین رفتار شاخص درجه بندی شده را می توان به سادگی با تعریف ضریب شکست به عنوان یک تابع صاف و متغیر از نظر مکانی مدل کرد. ماژول Ray Optics ابزارهای قدرتمند COMSOL Multiphysics را برای ایجاد مواد متفاوت از نظر فضایی به ارث برده است.

به عنوان مثال، مدل نمونه لنز Luneburg موجود در کتابخانه مدل ماژول اپتیک پرتو، ضریب شکست را به سادگی به صورت sqrt(x^2+y^2+z^2) تعریف می‌کند . از طرف دیگر، می‌توانید رسانه‌های توزیع‌شده فضایی را به‌عنوان یک جدول جستجو از یک فایل، یا به‌طور شگفت‌انگیزتر، به‌عنوان تابعی از کمیت فیلد فیزیک دیگری مانند n = f(T(x,y,z)) تعریف کنید، که در آن n برابر است ضریب شکست، f تابعی است و T(x,y,z) یک میدان دمایی متغیر مکانی است که توسط شبیه‌سازی انتقال حرارت در COMSOL Multiphysics محاسبه می‌شود. اطلاعات بیشتر در مورد این در یک پست وبلاگ به زودی.

انعکاس چشمی (چپ) و پراکنده (راست) پرتوی نور.

در مرزها، پرتو می تواند بدون مانع منتشر شود، به گونه ای که گویی مرز کاملاً شفاف است، می تواند کاملاً جذب شود یا می تواند منعکس شود. انعکاس در سطوحی از مواد رخ می دهد که نور نمی تواند از آنها عبور کند و یا به صورت پراکنده ، پراکنده یا مخلوطی از این دو خواهد بود. انعکاس چشمی روی سطوح فلزی بسیار صیقلی رخ می دهد، در حالی که بیشتر سطوح دیگر به صورت پراکنده تری منعکس می شوند.

بازتاب و انتقال از طریق یک فیلم دی الکتریک نازک (احتمالاً چند لایه).

همچنین می توان سازه هایی متشکل از لایه های نازک از مواد مختلف مانند آینه های دی الکتریک یا پوشش های ضد انعکاس را مدل کرد . اینها را می توان با افزودن یک یا چند گره فیلم دی الکتریک نازک به یک مرز مدلسازی کرد. سپس ضرایب انعکاس موثر و انتقال از طریق پشته چند لایه بدون مدل‌سازی صریح هر لایه محاسبه می‌شوند. این در مدل چند لایه پوشش ضد انعکاس نشان داده شده است .

بازتاب و انتقال به ترتیبات پراش مختلف از یک گریتینگ نوری.

از سوی دیگر، سازه‌هایی با تغییرات دوره‌ای در مقیاس طول موج در صفحه مرز را می‌توان با شرط مرزی گریتینگ مدل‌سازی کرد. توری های پراش دارای تغییرات تناوبی در ساختار خود هستند و می توانند یک پرتو را به چندین پرتو مختلف تقسیم و پراش کنند که به آنها نظم های پراش می گویند . همچنین می توان مشخصات گریتینگ را از طریق فرمولاسیون تمام موج محاسبه کرد و از آن به عنوان ورودی استفاده کرد، همانطور که در مدل پراش گریتینگ نشان داده شده است .

قطبش یک پرتو نور با عبور از عناصر نوری مختلف تغییر می کند.

در نهایت، از شرایط مرزی می توان برای دستکاری قطبش پرتو استفاده کرد. شرایط مرزی برای شبیه‌سازی پلاریزه‌کننده‌های خطی، کندکننده‌های موج خطی و دایره‌ای، دپلاریزکننده‌های ایده‌آل و اجزای نوری با ماتریس‌های مولر دلخواه را می‌توان به عنوان شرایط مرزی نشان داد. این شرایط در مدل Linear Wave Retarder نشان داده شده است .

خود پرتوها را می توان از دامنه ها، مرزها و هر نقطه ای که کاربر مشخص می کند به مدل راه اندازی کرد. پرتوها می توانند توزیع کروی، نیمکره ای یا مخروطی داشته باشند. همچنین می توان با تعیین موقعیت روی زمین، نور خورشید را مدل کرد. همراه با مسیر پرتو، در صورت تمایل می توان شدت، پلاریزاسیون و فاز را نیز محاسبه کرد. این امکان محاسبه شدت نوری روی سطوح و الگوهای تداخل را فراهم می کند. نمونه هایی از این شامل مدل سازی یک بشقاب خورشیدی و محاسبه الگوی تداخل یک تداخل سنج مایکلسون است.

چه چیزی در ماژول Ray Optics وجود ندارد؟

ماژول Ray Optics مستقیماً تعاملات با ساختارهایی را که اندازه ای قابل مقایسه با طول موج دارند در نظر نمی گیرد.

به عنوان مثال، مانند شکل زیر، موج صافی را در نظر بگیرید که از یک جسم فلزی الماس شکل پراکنده می شود. اگر طول موج با اندازه جسم قابل مقایسه باشد، پراش قابل توجهی در اطراف جسم ایجاد می شود و ناحیه پشت آن روشن می شود. به طور مشابه، یک موج مسطح بر روی یک شکاف در مقیاس طول موج، پراش و انبساط قابل توجهی را تجربه خواهد کرد. مدل‌سازی هر یک از این افکت‌ها نیازمند یک رویکرد تمام موج با استفاده از ماژول اپتیک موج یا ماژول RF است.

یک جسم الماس شکل یک موج الکترومغناطیسی را در همه جهات پراکنده می کند (چپ). روشنایی قابل توجهی در پشت پراکنده وجود دارد. یک موج هواپیما بر روی یک شکاف (راست) پخش خواهد شد. رنگ در هر دو نمودار نشان دهنده هنجار میدان الکتریکی است.

از سوی دیگر، رویکرد اپتیک هندسی، این پدیده های پراش را در نظر نمی گیرد. پرتوهایی که یک موج مسطح را نشان می دهند به طور خاص از سطوح منعکس می شوند و ناحیه پشت جسم را روشن نمی کنند. پرتوهایی که از یک شکاف عبور می کنند پخش نمی شوند. اگر طول موج نور بسیار کوچکتر از اندازه جسم باشد، هر دو تقریب معتبر هستند.

یک جسم الماس شکل در یک موج مسطح با استفاده از رویکرد اپتیک هندسی (سمت چپ) و یک موج صفحه ای که از شکاف (راست) عبور می کند، هیچ پراشی را تجربه نمی کند.

در حال حاضر، ماژول اپتیک اشعه همچنین ضرایب انکساری وابسته به شدت نور را در نظر نمی گیرد. با این حال، چنین مشکلاتی را می توان با فرمول Beam Envelopes در ماژول اپتیک موج، همانطور که در مثال Self Focusing در شیشه BK-7 نشان داده شده است، برطرف کرد .

خلاصه و مراحل بعدی

قابلیت‌های کامل ماژول Ray Optics با نمونه‌های کتابخانه مدل، موجود در نرم‌افزار و در گالری مدل آنلاین ما نشان داده می‌شود .

اگر علاقه مند به استفاده از ماژول Ray Optics برای هر یک از نیازهای مدل سازی خود هستید، لطفا با ما تماس بگیرید .