干涉圖樣仿真的案例
使用棱鏡分束器的Mach-Zehnder干涉儀互補(bǔ)干涉圖樣的觀測(cè)
摘要
分束器是將光束一分為二的重要光學(xué)元件，是干涉儀等許多光學(xué)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分。作為一個(gè)典型的例子，在VirtualLab Fusion中建立了具有相干激光光源的Mach-Zehnder干涉儀，并利用非序列場(chǎng)追跡對(duì)其進(jìn)行了分析。研究了理想結(jié)構(gòu)分束器和實(shí)際結(jié)構(gòu)分束器的不同性能，并演示了相對(duì)相移變化引起的互補(bǔ)干涉圖樣。
建模任務(wù)
理想分束器干涉圖樣
理想的分束器提供未修改的傳輸場(chǎng)和鏡像反射場(chǎng)。
在傳播過(guò)程中沒(méi)有觀察到相移。
實(shí)際分束器干涉圖樣
實(shí)際結(jié)構(gòu)分束器有玻璃板和介質(zhì)涂層引入了一個(gè)??的相移，構(gòu)建和破壞了干涉圖。
展開(kāi) 基于ASAP的散射光雙光束干涉仿真
基于ASAP的散射光雙光束干涉仿真
光的干涉是物理光學(xué)中最重要的現(xiàn)象之一。本文分析了MIT實(shí)驗(yàn)視頻中的光學(xué)原理，提煉了其物理模型。視頻利用邁克爾遜干涉儀進(jìn)行分振幅產(chǎn)生兩相干光，在接收屏上觀察到等傾圓紋。本文記錄了利用強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ASAP對(duì)該物理模型進(jìn)行仿真的過(guò)程。
光學(xué)原理: 邁克耳孫干涉儀是應(yīng)用光的干涉原理，測(cè)量長(zhǎng)度或長(zhǎng)度變化的精密的光學(xué)儀器，其光路圖如圖。
運(yùn)行ASAP模擬結(jié)果：
ASAP 已持續(xù)在光學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展，由代碼來(lái)指示光線如何與系統(tǒng)對(duì)象交互作用，來(lái)模擬其物理現(xiàn)象。仿真和分析的結(jié)果非常明了，能夠比現(xiàn)有其它軟件處理更多的光學(xué)系統(tǒng)仿真。 ASAP 在工業(yè)界廣泛應(yīng)用于航天工程、生物光學(xué)產(chǎn)業(yè)、顯示器、反射器、光學(xué)測(cè)量科技、光通訊產(chǎn)業(yè)、照明系統(tǒng)、光導(dǎo)管系統(tǒng)等。
因此，對(duì)于光電專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，用好 ASAP 不僅能讓我們?cè)谖磥?lái)的課程設(shè)計(jì)中受益，更深層次的講，當(dāng)我們畢業(yè)走進(jìn)上述的工作崗位后，這種渴望探索的求知精神無(wú)疑是一筆隱形財(cái)富。于是抱著這樣的態(tài)度去做工程，這就成為我們學(xué)習(xí)和發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，比如當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)后想要模擬產(chǎn)品效果是否達(dá)到要求， 我們便可以利用 ASAP 強(qiáng)大的功能做出仿真， 發(fā)現(xiàn)其存在的問(wèn)題，結(jié)合所學(xué)解決優(yōu)化，以達(dá)到完善產(chǎn)品的目的。而每完成這樣的一次任務(wù)也就完成了一次自我升華，是對(duì)知識(shí)的沉淀，對(duì)經(jīng)驗(yàn)的累積，對(duì)視野的拓展。
展開(kāi) Ansys Lumerical | 針對(duì)多模干涉耦合器的仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化
說(shuō)明
本示例演示通過(guò)1×2端口多模干涉(MMI)耦合器計(jì)算寬帶傳輸和光損耗，并使用S參數(shù)在 INTERCONNECT 中創(chuàng)建 MMI 的緊湊模型。(聯(lián)系我們獲取文章附件)
綜述
低損耗光耦合器和光分路器是基于 Mach-Zehnder 的光調(diào)制器的基本組件，是集成電路的關(guān)鍵組成部分。通過(guò)在輸入和輸出波導(dǎo)處使用 taper 以確保輸入和輸出波導(dǎo)的模式與干涉區(qū)域之間的良好匹配，可以將損耗降至最低。EME 求解器非常適合表征這些器件，本例中的器件針對(duì)TE模式進(jìn)行了優(yōu)化，但該方法可以擴(kuò)展到任何設(shè)計(jì)和極化。
運(yùn)行和結(jié)果
第1步：優(yōu)化 MMI 幾何結(jié)構(gòu)
使用EME運(yùn)行一系列參數(shù)掃描以優(yōu)化 MMI 性能。
· 模式收斂掃描
確保每個(gè)單元格中的模式數(shù)量足以給出準(zhǔn)確的結(jié)果，模式收斂掃描是確保仿真結(jié)果可靠的重要部分，應(yīng)作為 EME 仿真文件初始設(shè)置的一部分來(lái)完成。下圖顯示輸出端口的傳輸結(jié)果收斂于約15種模式，稍大的值用于確保模式數(shù)量足以滿足本示例中使用的其他掃描（如波長(zhǎng)、纖芯長(zhǎng)度和錐形寬度）。右圖為從 field_profile 監(jiān)視器獲得的電場(chǎng)強(qiáng)度。
· 波長(zhǎng)掃描
EME 是一種單頻求解器，參數(shù)掃描是獲得寬頻結(jié)果所必需的。將波長(zhǎng)掃描設(shè)置為1.5~1.6 μm，具有100個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)，按波長(zhǎng)掃描。波長(zhǎng)掃描選項(xiàng)卡返回S矩陣，然后可以根據(jù)S矩陣的S21元素計(jì)算從端口1通過(guò)端口2的基本TE模式傳輸。下圖顯示了使用EME分析窗口中的波長(zhǎng)掃描功能獲得的1.1 μm taper 寬度的 MMI 傳輸與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系 。
· 纖芯長(zhǎng)度掃描
確定纖芯的最佳長(zhǎng)度。涉及改變區(qū)域長(zhǎng)度的掃描非常適合EME求解器，因?yàn)閹缀蹩梢粤⒓传@得結(jié)果，下圖顯示了作為纖芯長(zhǎng)度函數(shù)的傳輸。
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說(shuō)明
本示例演示通過(guò)1×2端口多模干涉(MMI)耦合器計(jì)算寬帶傳輸和光損耗，并使用S參數(shù)在 INTERCONNECT 中創(chuàng)建 MMI 的緊湊模型。
綜述
低損耗光耦合器和光分路器是基于 Mach-Zehnder 的光調(diào)制器的基本組件，是集成電路的關(guān)鍵組成部分。通過(guò)在輸入和輸出波導(dǎo)處使用 taper 以確保輸入和輸出波導(dǎo)的模式與干涉區(qū)域之間的良好匹配，可以將損耗降至最低。EME 求解器非常適合表征這些器件，本例中的器件針對(duì)TE模式進(jìn)行了優(yōu)化，但該方法可以擴(kuò)展到任何設(shè)計(jì)和極化。
運(yùn)行和結(jié)果
第1步：優(yōu)化 MMI 幾何結(jié)構(gòu)
使用EME運(yùn)行一系列參數(shù)掃描以優(yōu)化 MMI 性能。
模式收斂掃描
確保每個(gè)單元格中的模式數(shù)量足以給出準(zhǔn)確的結(jié)果，模式收斂掃描是確保仿真結(jié)果可靠的重要部分，應(yīng)作為 EME 仿真文件初始設(shè)置的一部分來(lái)完成。下圖顯示輸出端口的傳輸結(jié)果收斂于約15種模式，稍大的值用于確保模式數(shù)量足以滿足本示例中使用的其他掃描（如波長(zhǎng)、纖芯長(zhǎng)度和錐形寬度）。右圖為從 field_profile 監(jiān)視器獲得的電場(chǎng)強(qiáng)度。
波長(zhǎng)掃描
EME 是一種單頻求解器，參數(shù)掃描是獲得寬頻結(jié)果所必需的。將波長(zhǎng)掃描設(shè)置為1.5~1.6 μm，具有100個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)，按波長(zhǎng)掃描。波長(zhǎng)掃描選項(xiàng)卡返回S矩陣，然后可以根據(jù)S矩陣的S21元素計(jì)算從端口1通過(guò)端口2的基本TE模式傳輸。下圖顯示了使用EME分析窗口中的波長(zhǎng)掃描功能獲得的1.1 μm taper 寬度的 MMI 傳輸與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系 。
纖芯長(zhǎng)度掃描
確定纖芯的最佳長(zhǎng)度。涉及改變區(qū)域長(zhǎng)度的掃描非常適合EME求解器，因?yàn)閹缀蹩梢粤⒓传@得結(jié)果，下圖顯示了作為纖芯長(zhǎng)度函數(shù)的傳輸。
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干涉檢測(cè)中條紋仿真失真？OAS光學(xué)軟件案例精準(zhǔn)解困
馬赫曾德干涉儀-Z案例分析
簡(jiǎn)介
馬赫曾德干涉儀作為經(jīng)典的分波前干涉裝置，廣泛應(yīng)用于光學(xué)檢測(cè)、精密測(cè)量、光通信等領(lǐng)域，其核心功能是通過(guò)光束分束、反射、合束產(chǎn)生干涉條紋，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)折射率、光路相位差、物體微小形變等物理量的精準(zhǔn)測(cè)量。OAS 光學(xué)軟件憑借強(qiáng)大的光束追跡能力、高精度仿真引擎及可視化功能，可高效完成馬赫曾德干涉儀的光路建模、參數(shù)優(yōu)化與干涉效果模擬，為相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)設(shè)計(jì)提供可靠的仿真工具。
案例設(shè)置與操作
模型構(gòu)建
采用 50/50 透反比組件，將入射光束分為兩束振幅相等的透射光與反射光；配置兩片高反射率反射鏡，分別引導(dǎo)兩束光沿不同光路傳播，通過(guò)調(diào)整反射鏡角度控制光程差；在合束光傳播路徑末端設(shè)置探測(cè)平面，定義平面尺寸、像素分辨率，確保干涉條紋細(xì)節(jié)清晰捕捉。
參數(shù)設(shè)置
基于 OAS 軟件的柔性光源建模模塊，選擇高斯光束類型，嚴(yán)格輸入核心參數(shù)：束腰半徑 250μm、中心波長(zhǎng) 0.6328μm，同時(shí)設(shè)置光束發(fā)散角、偏振方向等輔助參數(shù)，確保光源模型與實(shí)際物理光源高度一致。OAS 支持多類型光源自定義，可通過(guò)參數(shù)化輸入快速匹配不同應(yīng)用場(chǎng)景的光源需求。
性能優(yōu)化
利用 OAS 軟件的光線追跡算法，設(shè)置高精度模式追跡，啟用相位追跡功能，同時(shí)配置光線采樣數(shù)量與傳播步長(zhǎng)，平衡仿真效率與結(jié)果精度。
馬赫曾德干涉儀-Z的三維追跡圖
馬赫曾德干涉儀-Z的探測(cè)器結(jié)果圖
總結(jié)
本項(xiàng)目通過(guò) OAS 光學(xué)軟件的精準(zhǔn)建模、仿真分析與優(yōu)化功能，成功解決了馬赫曾德干涉儀-Z設(shè)計(jì)難題，OAS 光學(xué)軟件可為光學(xué)干涉儀、激光器、光通信模塊等各類光學(xué)系統(tǒng)提供一站式仿真解決方案，助力科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)提升研發(fā)效率、降低實(shí)驗(yàn)成本。
展開(kāi) 多模干涉解復(fù)用器和分路器數(shù)值仿真 ￥500
<p>本案例基于COMSOL軟件的射頻電磁波模塊建立了多模干涉的解復(fù)用器和分路器模型，進(jìn)行了邊界模式分析，并仿真得到不同頻域下的磁場(chǎng)分布結(jié)果，如圖2和圖3所示。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/f3109e47688f4ff6b529db5bde50aaed.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖2 磁場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/377c8f9048334939a305d6557f5acb12.gif" alt="Untitled3.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖3 電場(chǎng)模數(shù)值仿真結(jié)果</strong></p><p>感興趣的朋友，可以下載模型源文件，歡迎交流合作</p>
展開(kāi) OAS 軟件剪切干涉仿真來(lái)解決
剪切干涉的三維追跡圖
剪切干涉的探測(cè)器結(jié)果圖
總結(jié)
OAS 光學(xué)軟件通過(guò)精準(zhǔn)的物理建模與高效的數(shù)值計(jì)算，成功復(fù)現(xiàn)了剪切干涉的完整物理過(guò)程，其仿真結(jié)果與理論分析高度吻合，驗(yàn)證了軟件在干涉光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的可靠性。該案例展示了數(shù)字化仿真技術(shù)在光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為相關(guān)技術(shù)研發(fā)提供了從概念設(shè)計(jì)到性能優(yōu)化的全流程解決方案。
案例分享 | 利用螺旋槳MSC Cradle和無(wú)限葉片數(shù)螺旋槳理論進(jìn)行方向舵干涉時(shí)的性能仿真研究
Conference book of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers. 21st issue: p555-558
無(wú)限葉片數(shù)螺旋槳理論
螺旋槳/ 方向舵干涉仿真
仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較
小結(jié)
MSC Cradle里配置了無(wú)限葉片數(shù)螺旋槳理論功能后，使得螺旋槳和方向舵干涉狀態(tài)的計(jì)算成本大幅降低，而且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致。MSC Cradle還可以考慮船體的干涉，是推進(jìn)性能預(yù)測(cè)的工具。
VirtualLab應(yīng)用：用于光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的邁克爾遜干涉儀
光學(xué)測(cè)量 > 干涉測(cè)量
任務(wù)/系統(tǒng)說(shuō)明
亮點(diǎn)
?從光線追跡分析到快速物理光學(xué)建模的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換；
?對(duì)相干效應(yīng)以及干涉圖樣的高速仿真；
具體要求：光源
具體要求：用于準(zhǔn)直的消色差透鏡
具體要求：分束器
具體要求：參考光路反射鏡
具體要求：測(cè)試光路反射鏡
具體要求：探測(cè)器
結(jié)果：3D光線追跡
結(jié)果：場(chǎng)追跡
結(jié)果：移動(dòng)樣品的場(chǎng)追跡結(jié)果
通過(guò)掃描樣品的軸向位置，可以研究出樣品的形貌。
文件&技術(shù)信息
