安婷雯 陳秀艷

摘要：通過在VirtualLab平臺對光波的疊加，平面波與球面波干涉、馬赫-曾德爾干涉幾個干涉系統(tǒng)的建模與實驗仿真，闡述了VirtualLab仿真模擬技術(shù)在干涉中的多種應用，通過VirtualLab平臺的仿真技術(shù)，簡化了光學實驗的復雜性，將其簡化成簡單的流程圖。讓光學研究變得更加高效，清晰。

關(guān)鍵詞：VirtualLab?仿真;干涉光路;馬赫-曾德爾干涉

1?引言

隨著科技的發(fā)展，光學的研究也愈加多樣，學者們熱衷于各種新穎的光學系統(tǒng)的設計和光學器件研究[1、2]，但實際光學實驗因為各種因素難以展開，如：昂貴的儀器、實驗中嚴苛的條件，光學結(jié)果不穩(wěn)定。各種大功率激光實驗還有危險因素。這時，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，各種仿真軟件的誕生大大提高了光學研究的效率，降低了光學實驗的危險性[3]。本文以平面波與球面波干涉、馬赫-曾德爾干涉幾個干涉系統(tǒng)為例，介紹光學模擬設計平臺VirtualLab在光的干涉中的應用。體現(xiàn)出仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的高吻合，可以精確快速的完成仿真模擬，展現(xiàn)出仿真技術(shù)在光學研究以及教學領(lǐng)域的重要性[4、5]。

2?干涉應用舉例

2.1?光波疊加

VirtualLab可以實現(xiàn)兩個單色光波的疊加模擬。在光路中，Ideal?Beam?Splitter元件將入射的平面光波分為兩部分，在兩個光路中加入Linear?Phase元件，來改變兩個光場E1、E2的傳播方向。

在Linear?Phase元件中，我們可以通過調(diào)整笛卡爾坐標下的α和β角度來給E1、E2加以不同的線性相位，使它們朝著不同方向偏轉(zhuǎn)。（α和β分別表示新方向在xz和yz平面內(nèi)的投影與z軸的夾角。）傳播到一定位置，當E1、E2重合時，便會出現(xiàn)明顯的干涉條紋。當我們將Linear?Phase元件α和β角度設置為0.3時，便會出現(xiàn)間距較大的條紋。將Linear?Phase元件α和β角度設置為0.5時，便會出現(xiàn)比之前細密的條紋?？梢?，當α，β越大，條紋越密集。當傳播距離為50mm時，兩光場會錯開，條紋只出現(xiàn)在相交的部分，亮條紋的亮度比單一光場的亮度強。

2.2?球面波與平面波的干涉

VirtualLab可模擬多種波的干涉，首先用Ideal?Beam?Splitter元件將入射的平面光波分解為能量相同兩部分，一部分通過Linear?Phase元件產(chǎn)生一個傾斜的平面波，另一部分通過Sphencal?Phase元件將一束平面波調(diào)制成了球面光波，兩束光波在Virtual?Screen元件處發(fā)生干涉[7]。調(diào)制后的平面波與球面波出現(xiàn)環(huán)形干涉條紋。

在此干涉中，同樣也可以像2.1中的系統(tǒng)一樣，通過調(diào)整α和β角度參數(shù)，來探究平面波傾斜程度與最終干涉光場分布的關(guān)系。

2.3?馬赫-曾德爾干涉模擬

VirtualLab可模擬多種干涉儀的光路，我們可以來模擬馬赫-曾德爾干涉儀的光路流程，同樣用Ideal?Beam?Splitter元件將入射的平面光波分解為能量相同兩部分，一部分通過Double?Interface?Component元件后由Ideal?Plane?Mirror元件反射向Virtual?Screen元件方向。另一束光通過Ideal?Plane?Mirror元件反射到Spherical?lens元件上，在傳播中與另一束光產(chǎn)生干涉，由Virtual?Screen元件接收。

同樣，我們還可以對光路中的Spherical?lens元件參數(shù)進行設置，當設置偏轉(zhuǎn)角度為5°時，干涉條紋中心向右移動，當設置偏轉(zhuǎn)角度為10°時，干涉條紋中心向右側(cè)移動更多。當球面鏡偏轉(zhuǎn)角度增大時，干涉圖樣的偏移程度也越大。

由此，我們可以看到，對元件的參數(shù)更改，我們得到的輸出光場也有相對應的改變，我們可以通過計算和分析來找到兩者的聯(lián)系，從而可以實現(xiàn)由參數(shù)的改變推斷出干涉圖樣的變化，也可以通過干涉圖樣的改變推算出是哪個元件參數(shù)發(fā)生改變。

3?結(jié)論

本文使用VirtualLab平臺對平面波與球面波干涉、馬赫-曾德爾干涉幾個干涉系統(tǒng)進行了仿真，通過依據(jù)現(xiàn)實器件搭建光學流程圖，合理設置各個元件參數(shù)，就可以得出實驗圖樣，確保了實驗的準確性、穩(wěn)定性、安全性。虛擬仿真技術(shù)在未來可以進行更多高難度的光學實驗和核心光學器件研究工作。

致謝：

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參考文獻：

[1]李雨蔚.基于VirtualLab的波長選擇開關(guān)仿真技術(shù)研究[D].中央民族大學，2020.

[2]WANG?Yuhcng，CHANG?Yilin，ZHANG?Jianqi，LU?Guanghao，WEI?Zhixiang.Semitransparent?Flexible?Organic?Solar?Cells.高等學?；瘜W研究：英文版，2020，36（3）：343-350.

[3]呂依穎.光學實驗的VirtualLab設計仿真研究[J].棗莊學院學報，2016，33（05）：111-115

[4]王馳，孫凡，于洋，等.VirtualLabTM在微小梯度折射率透鏡性能分析中的應用[J].光學精密工程，2015，23（10）：215-220.

[5]尚學府，吳慧，王亞偉.干涉的模擬—VirtualLab虛擬光學仿真軟件輔助光學教學[J].物理通報，2013（4）：77～79.

[6]韓振海.VirtualLab虛擬仿真在物理光學中的應用[J].河西學院學報，2016，33-38.

作者簡介：

安婷雯（1998—），女，蒙古族，遼寧省大連市人，本科生，單位：沈陽師范大學物理科學與技術(shù)學院凝聚態(tài)專業(yè)，研究方向：新型光電材料性能研究。

陳秀艷（1978—），女，漢族，遼寧省沈陽市人，副教授，光學博士，單位：沈陽師范大學物理科學與技術(shù)學院，研究方向：光電子器件與光電材料。