射線光學(xué)
關(guān)注創(chuàng)建者：會爬樹的豬 創(chuàng)建時間：2018-10-18
射線光學(xué)的實例教程
”進行射線光學(xué)仿真之前，我們首先需要創(chuàng)建模型的幾何結(jié)構(gòu)。
Comsol光熱和射線光學(xué)耦合 ￥1600
</p><p><br></p><p><br></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202012/d4afe1410bf245aa9d026db4e226b522.gif" alt="2222.gif"></p><p><br></p><p>該案例嘗試使用comsol進行微顆粒的光熱和射線光學(xué)耦合，動圖如上展示的。</p><p><br></p><p><br></p>
展開 2018年10月16日，南極熊從外媒獲悉，Max Planck智能系統(tǒng)研究所的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了3D打印技術(shù)的一項新應(yīng)用，他們使用雙光子3D打印技術(shù)從聚合物材料中制造出具有納米尺寸特征和出色聚焦能力的X射線透鏡。
而整個制造過程僅僅需要花費一分鐘，這項技術(shù)制造出具X射線光學(xué)特性的單透鏡，大大降低了原型制造的成本。
據(jù)悉，X射線顯微鏡是獨特地結(jié)合納米尺寸分辨率和大穿透深度的成像工具，它允許您在不破壞計算機中央處理單元的情況下查看其中的缺陷，X射線顯微鏡或XRM是唯一能夠以高分辨率研究埋藏特征的技術(shù)。
然而，X射線的聚焦并非那么容易，它需要納米級幾何形狀的光學(xué)器件。由于其復(fù)雜的納米制造方法，單個鏡頭可能花費高達(dá)數(shù)萬歐元，制造成本非常高昂。
該研究所的現(xiàn)代磁系統(tǒng)和物理智能部門共同合作，試圖尋找一種更便宜的方法來制作該光學(xué)器件，能夠有效地聚焦X射線。這就是3D打印技術(shù)的特點得到應(yīng)用的地方，他們發(fā)現(xiàn)飛秒雙光子3D納米打印是制造這種衍射X射線光學(xué)元件的最佳方法。
此前，南極熊也曾多次報道過國內(nèi)外的雙光子3D打印技術(shù)，下圖中是雙光子聚合加工的技術(shù)原理。
南極熊曾參觀過中國院理化所的雙光子3D打印設(shè)備，可以進行微納米級別的3D打印。
Umut T. Sanli博士解釋說：“我們使用了飛秒脈沖紅外（IR）激光器，以及可以通過同時吸收多個紅外光子來聚合的光刻膠，以寫入小于光波長的結(jié)構(gòu)。通過這種方式，我們實現(xiàn)了極具挑戰(zhàn)性的X射線透鏡幾何結(jié)構(gòu)，具有納米級特征和非常高的聚焦效率，他繼續(xù)說道。初步結(jié)果顯示，使用直接軟X射線成像和3D打印的透鏡表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，效率高達(dá)20％。”
由于輻射損壞，幾乎每年都需要更換XRM的X射線光學(xué)系統(tǒng)。
展開 預(yù)測理想太陽能收集器的集中度
在理想情況中，拋物面反射器能將射線集中于一點。但是，即使忽略了幾何光學(xué)中的衍射，還是存在許多干擾因素導(dǎo)致無法實現(xiàn)這一理想情況。
讓我們看一看系統(tǒng)中有哪些干擾因素會限制拋物面反射器的聚焦能力。
吸收
入射太陽能的一部分會被拋物面鏡面吸收，而不是反射出去。甚至新的鏡面也會吸收一些入射能量，更不要說長年的磨損更是會大大降低其性能。參考文獻(xiàn) 3 中描述的情況就是一個典型示例。
表面粗糙度
實際的鏡面不可能完全光滑。碟式拋物面的面法向方向總會和理想情況有一定偏差。這導(dǎo)致太陽輻射的聚焦不會那么完美，熱通量會分散到焦平面的更大區(qū)域。
太陽形狀
如果太陽是個極小的輻射源，那么所有入射太陽射線幾近平行。然而，事實并非如此。即使在 1.5 億千米距離之遙，太陽仍舊如此之大，以至從太陽圓面不同位置發(fā)出的射線之間存在明顯的夾角，從而可以清晰地觀察到太陽射線上的角度擴展。到達(dá)地球后，從太陽圓面發(fā)出的射線形成一個半角為 4.65 毫弧度的圓錐體。還有來自太陽周邊區(qū)域的輻射，即環(huán)繞太陽的發(fā)光區(qū)域，但本例不考慮太陽周邊的輻射。
廣義上看，太陽形狀,這一術(shù)語指的是太陽圓面的有限尺寸。太陽形狀除了引起射線方向的分布外，還使太陽圓面不同位置的輻射具有不同的相對強度（參考文獻(xiàn) 4）。 太陽圓面中心的輻射通常比其邊緣發(fā)出的輻射強，這種現(xiàn)象稱為太陽臨邊昏暗（參考文獻(xiàn) 5) 。使用射線光學(xué)模塊，不管是否涉及太陽臨邊昏暗效應(yīng)，都會考慮太陽有限尺寸的影響。
同表面粗糙度一樣，太陽形狀會使入射熱通量分散到焦平面的更大區(qū)域。以下繪圖顯示了理想情況下反射器焦平面的集中度（僅考慮有限太陽直徑；查看參考文獻(xiàn) 2）以及實際發(fā)射器的集中度（考慮到有限太陽直徑、太陽臨邊昏暗、表面粗糙度和吸收，如參考文獻(xiàn) 1 所述）。
展開 （2）高頻近似方法
一般可歸作2類：一類基于射線光學(xué)，包括幾何光學(xué)（GO）、幾何繞射理論（GTD）以及在GTD 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一致性繞射理論（UTD）等；另一類基于波前光學(xué)，包括物理光學(xué)（PO）、物理繞射理論（PTD）、等效電磁流方法（MEC）以及增量長度繞射系數(shù)法（ILDC）等1.1 電磁仿真算法分類、計算特點
計算電磁學(xué)（CEM）方法大致可分為2類：精確算法和高頻近似方法。
（1）全波精確計算法
包括差分法（FDTD，F(xiàn)DFD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）以及基于矩量法的快速算法（如快速多極子FMM和多層快速多極子MLFMA）等，其中，在解決電大目標(biāo)電磁問題中最有效的方法為多層快速多極子方法。
（2）高頻近似方法
一般可歸作2類：一類基于射線光學(xué)，包括幾何光學(xué)（GO）、幾何繞射理論（GTD）以及在GTD 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一致性繞射理論（UTD）等；另一類基于波前光學(xué)，包括物理光學(xué)（PO）、物理繞射理論（PTD）、等效電磁流方法（MEC）以及增量長度繞射系數(shù)法（ILDC）等1.1 電磁仿真算法分類、計算特點
計算電磁學(xué)（CEM）方法大致可分為2類：精確算法和高頻近似方法。
（1）全波精確計算法
包括差分法（FDTD，F(xiàn)DFD）、有限元（FEM）、矩量法（MoM）以及基于矩量法的快速算法（如快速多極子FMM和多層快速多極子MLFMA）等，其中，在解決電大目標(biāo)電磁問題中最有效的方法為多層快速多極子方法。
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射線光學(xué)的最新內(nèi)容
用于x射線光學(xué)的哈特曼波前傳感器
在這個用例中，我們模擬了x射線場通過由針孔陣列組成的哈特曼波前傳感器的傳播。
摘要
Hartmann 傳感器是研究入射 X 射線束波前形狀的常用工具，因為它們具有消色差和大動態(tài)范圍等優(yōu)點。 在這個用例中，我們遵循 de La Rouchefoauld O. 等人的工作[Sensors 2021, 21, 874.]，模擬通過哈特曼波前傳感器傳播的 X 射線場，該傳感器由一系列針孔組成。 每個針孔的衍射將導(dǎo)致檢測器平面的偏移，可用于計算輸入的波前。
用于x射線光學(xué)的哈特曼波前傳感器
在這個用例中，我們模擬了x射線場通過由針孔陣列組成的哈特曼波前傳感器的傳播。
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在這個用例中，我們模擬了x射線場通過由針孔陣列組成的哈特曼波前傳感器的傳
涉及電磁、結(jié)構(gòu)&聲學(xué)、流體&傳熱、化工等四個大專項，下含結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊、巖體力學(xué)模塊、多孔介質(zhì)流模塊、地下水流模塊、管道流模塊、波動光學(xué)模塊、射線光學(xué)模塊、等離子體模塊、半導(dǎo)體模塊等36個模。內(nèi)置耦合物理場外，還可自定義物理場方程以進行多物理場耦合分析[2,3]。
流固耦合理論及控制方程[4]
一般固體變形控制方程主要由三個方程構(gòu)成：應(yīng)力平衡方程、幾何變形方程、本構(gòu)方程。
新的射線光學(xué)模塊可用于建立光在光學(xué)介質(zhì)和設(shè)備中的傳播模型，其中電磁波被看作射線。我們還有許多包括角隅反射器模型或牛頓望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的光線傳播建模在內(nèi)的許多射線光學(xué)仿真案例供您參考，可在 COMSOL 官網(wǎng)下載。
本文內(nèi)容來自 COMSOL 博客
波動光學(xué)和射線光學(xué)
當(dāng)我們接近波長尺度結(jié)構(gòu)時，我們對較大結(jié)構(gòu)提出的許多典型問題不再有意義。例如，如果我們在特定位置在Si中產(chǎn)生電子空穴，我們可能想知道光子在被吸收之前通過哪個微透鏡。在波動光學(xué)中，這個問題無法回答，因為光子是一種波，穿過所有微透鏡，它在特定位置被吸收的概率取決于它與自身產(chǎn)生的干涉圖案。如果我們阻擋其中一條路徑，例如通過覆蓋一個透鏡，我們將修改干涉圖案。
在基于超表面的表面等離激元計算中，由于結(jié)構(gòu)單元具有亞波長尺寸，而產(chǎn)生一些不同于射線光學(xué)的新奇性質(zhì)。本篇以基于金薄膜的復(fù)雜納米孔結(jié)構(gòu)為例，計算了結(jié)構(gòu)在被x偏振方向的高斯光束照射后于不同平面觀測到的光場局域效果。
一、結(jié)構(gòu)建模
首先是建立結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)為上方大孔，下方小孔的嵌套結(jié)構(gòu)，基底為氧化硅。依次在基底上方、小孔上方、大孔上方以及縱向截面放置監(jiān)視器。
乍一看，射線光學(xué)模塊似乎也很合適，因為系統(tǒng)的大小比波長大幾個數(shù)量級。然而，對于馬赫-曾德爾調(diào)制器，我們主要關(guān)注的是干涉效應(yīng)。射線光學(xué)模擬通常不會自動考慮干涉，因此不是理想的方法。
通過使用波動光學(xué)模塊，干涉將被自動考慮。使用這個模塊，我們就可以采用電磁波，波束包絡(luò) 接口，它非常適合處理這種大小的模型。波束包絡(luò)法特別適用于模擬長距離光束傳播問題，如我們之前的文章所述。
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多匝線圈
單導(dǎo)體線圈
磁芯
傳熱模塊：
各種各樣的散熱器
微流體模塊：
各種微流體通道
攪拌器模塊：
各種類型的葉輪
軸
釜
多體動力學(xué)模塊：
外齒輪和內(nèi)齒輪
齒條
射線光學(xué)模塊
