準光學系統(tǒng)的并行物理光學仿真研究

段美玲

摘 要：目前，現(xiàn)有準光學系統(tǒng)應(yīng)用效果總體較為良好，其主要原因在于物理光學仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，該技術(shù)對于進一步提高準光學系統(tǒng)在社會各方面應(yīng)用效果均起到一定的幫助作用，是現(xiàn)代準光學系統(tǒng)研究應(yīng)用所需具備的必要條件，因此需在未來階段的應(yīng)用發(fā)展過程中，逐步對其內(nèi)部應(yīng)用環(huán)境等進行深入的分析與研究，從而使其能夠在準光學系統(tǒng)方面發(fā)揮出更為有效的實際作用。

關(guān)鍵詞：準光學系統(tǒng) 物理 光學仿真

中圖分類號：G6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0125-02

近年來，物理光學仿真技術(shù)在準光學系統(tǒng)中的應(yīng)用逐步廣泛，成為現(xiàn)代光學系統(tǒng)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，同時對于進一步提高準光學系統(tǒng)實際有效性起到一定的推動作用，不僅能夠有效地提高準光學系統(tǒng)研究應(yīng)用效果，同時對于保證準光學系統(tǒng)更好地應(yīng)用于天文研究等方面也有著重要意義，是現(xiàn)代準光學系統(tǒng)應(yīng)用不可或缺的重要構(gòu)成。

1 準光學簡介

幾何光學研究的是在波長趨于零的極限情況下波的輻射和傳播特性，基本思想是用光線的傳播代表定向的輻射束，其特點是光學元器件（透鏡、反射鏡）的尺寸足夠大，因而波長的效應(yīng)可以忽略。而當光源的尺寸與波長相比較小時，由于衍射效應(yīng)，隨著距離光源的遠近不同，光源的輻射場分布會相應(yīng)變化。與幾何光學波長趨于零的極限情況不同，當系統(tǒng)尺寸與波長相近的時候，在光的輻射傳播中，衍射效應(yīng)占據(jù)主要地位。準光學代表了傳統(tǒng)光學和電子學之間的學科，是對遠紅外和太赫茲頻段信號的有關(guān)描述。對于電磁波譜的不同頻段，都有其各自的電磁波的傳播方法。例如，在無線電和微波頻段，單模系統(tǒng)被廣泛采用。在低頻端，同軸電纜是廣泛采用的電磁波傳播介質(zhì)，與波長相比，同軸電纜的橫截面尺寸相對較小，可以傳播橫電磁波（TEM）；但是，到了高頻端，則廣泛采用橫截面尺寸與波長相當?shù)牟▽?dǎo)作為電磁波的傳播介質(zhì)。

2 歷史概述和發(fā)展現(xiàn)狀

準光學發(fā)展主要起源于19世紀末期階段，其主要的起源應(yīng)用基礎(chǔ)是無線電波技術(shù)，赫茲是首先應(yīng)用準光學技術(shù)并對其加以研究的首位無線電波專家。由于在研究過程中受麥克斯韋電磁波理論影響，赫茲在實際實驗研究過程中，主要對電波的形成及與電磁波的實際構(gòu)成進行分析，對近現(xiàn)代無線電技術(shù)發(fā)展做出巨大貢獻。在早期的無線電波研究過程中，由于資料相對較少，因此研究時間也相對較少，無法深刻地對該技術(shù)進行有效的分析與研究。20世紀初期階段，商業(yè)廣播無線電波最高傳輸上限為10m，受電磁波技術(shù)應(yīng)用影響，部分學者對于聚焦輻射束波研究相對較少，同時由于軸天線技術(shù)應(yīng)用的逐步廣泛，對于波導(dǎo)技術(shù)研究應(yīng)用不斷增加，這也成為阻礙聚焦輻射束波技術(shù)研究的主要要素之一。

在后期的發(fā)展過程中，無線電波技術(shù)應(yīng)用發(fā)展速度相對緩慢，直至第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)初期，由于戰(zhàn)爭及軍事通信需求，毫米電波成為替代無線電波的主要微波技術(shù)之一，隨著研究的逐步深入，毫米電波研究在20世紀中葉不斷盛行，并取得良好研究成果。微波技術(shù)研究與準光學技術(shù)研究雖有著一定的共同性，但在本質(zhì)上仍存在著一定的差異。準光學研究主要依附于光學波段器件及系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用，其研究基礎(chǔ)多以通信系統(tǒng)為主，受激光技術(shù)光源研究影響，在準光學技術(shù)研究過程中，相關(guān)科研人員對于多種不同的通信模式提供了多個鏈路方案。其中主要的鏈路方案以自由空間及周期性導(dǎo)波為主。

科學技術(shù)的不斷進步使電波技術(shù)發(fā)展逐步加快，使微波技術(shù)應(yīng)用頻段逐步提升，亞毫米波研究也逐步廣泛。為方便對電磁波進行有序的研究與分析，在現(xiàn)代化電波研究過程中，針對不同的電波頻率及長度，主要將電波進行排序歸類，從而使其能夠為直觀地對電波技術(shù)進行深入的研究，該排列模式又稱電磁波譜。

電磁波譜實際種類及頻率的不同，使其具備不同的電磁波特性，所以其研究與應(yīng)用方面，如不考慮實際的電容與電感，則可直接利用集總參數(shù)進行分析。于1931年初期階段，電磁波波長長度再次被提升，從原始的10m提升至0.001mm，至此，系統(tǒng)化的電磁波通信技術(shù)逐步形成，成為現(xiàn)代電磁波應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，同時亦被稱為準光。

3 準光學系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 饋源

饋源主要應(yīng)用于自由空間的電磁波傳輸中，通過自由空間的電磁波傳導(dǎo)使其在波導(dǎo)設(shè)備中對傳輸信號進行接收。望遠鏡的反射面天線能夠?qū)嶋H的平面波進行轉(zhuǎn)換，從而使其形成會聚球面波。饋源在球面波方面的作用主要是將球面波進行有效的收集，并在相對較短的時間內(nèi)將其轉(zhuǎn)換成為波導(dǎo)信號。饋源實際作用范圍相對較多，在電磁波極化方面饋源也能夠進一步發(fā)揮其實際作用，同時在波紋喇叭方面應(yīng)用較為廣泛。

3.2 反射鏡

反射鏡的作用較為廣泛，在望遠鏡天線中可將會聚波束進行重聚聚焦，并進行信號探測，由于其信號探測及傳輸距離較遠，因此多由于對遙遠天體信號進行探測。反射鏡及射電望遠鏡中應(yīng)用效果較為良好，該設(shè)備構(gòu)成主要由兩組反射面組成，即主反射面和副反射面。該構(gòu)件散布相對較大，所以主要用于在自由空間內(nèi)進行平面波轉(zhuǎn)換。而后利用會聚球面波優(yōu)勢來進行光束的傳播對焦，從而使其進行有效的傳播，在其傳播過程中需根據(jù)傳播距離進行重新聚焦。現(xiàn)階段的反射鏡應(yīng)用種類較多，根據(jù)不同的反射鏡使用用途，多分為球面反射鏡、拋物面反射鏡及雙曲面反射鏡等。

3.3 透鏡

透鏡的作用多用于波束耦合，由于準光學構(gòu)件由多個不同元件構(gòu)成，各元件間運行需要達到相同的頻率，因此透鏡便可有效地對波束進行耦合，使其運行頻率達到一致。為能夠進一步提高耦合效果，并保證各構(gòu)件間的耦合有效性，通常需在透光學結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中加入透鏡，透鏡的厚度需根據(jù)實際光學結(jié)構(gòu)設(shè)計而定，從而使其傳播效率得到有效的提升。在此過程中波束的曲率半徑易受到透鏡的影響而發(fā)生改變，以便于更好地進行光學匹配。

4 界面設(shè)計

界面設(shè)計主要用于提高設(shè)備可視性，使其能夠有效地融入到準光學系統(tǒng)分析中。該設(shè)計主要采用MFC單文檔作為實際的設(shè)計構(gòu)架，并對相關(guān)功能欄進行優(yōu)化，以此確保其符合系統(tǒng)應(yīng)用需要。

4.1 視圖的設(shè)計

視圖部分設(shè)計需進行功能性拆分，根據(jù)不同的設(shè)備使用功能來拆分為多個視圖部分結(jié)構(gòu)。而后對實際的視圖部分進行系統(tǒng)模型的視圖分析，從而根據(jù)實際的仿真結(jié)果來進行可視化窗口的輸出。該系統(tǒng)主要應(yīng)用二維平面成像技術(shù)，通過仿真結(jié)果對相關(guān)的數(shù)值進行優(yōu)化，繼而使其與二維平面數(shù)據(jù)保持一致，以此提高視圖設(shè)計效果，該視圖設(shè)計亦能夠用于一維方向視圖顯示。

4.2 菜單的設(shè)計

參數(shù)設(shè)置子菜單下的5個菜單項涵蓋了準光學系統(tǒng)的曲面建模、網(wǎng)格剖分，近/遠場選取和工作頻率等所有的參數(shù)設(shè)置，每一個菜單項關(guān)聯(lián)了一個對話框。在界面與媒質(zhì)參數(shù)設(shè)置對話框中，在界面參數(shù)設(shè)置表格中可以添加或刪除準光學曲面，表格第一列中的序號代表了該曲面在準光系統(tǒng)建模中從饋源到近場的光路中的排列順序，物理光學的中的饋源的波陣面將按照該順序依次傳播到各曲面界面上。對于每一曲面建模，需要設(shè)置的參數(shù)有11項。在對話框中左下角的文本框中有對曲面建模的形狀和曲面參數(shù)的相關(guān)說明。媒質(zhì)的數(shù)目比曲面的數(shù)目多一個，每添加一個曲面，媒質(zhì)參數(shù)列表中會在相關(guān)的位置序號處自動增加一項；每刪除一個曲面，媒質(zhì)參數(shù)列表中相關(guān)位置序號出的媒質(zhì)參數(shù)會自動刪除。

5 結(jié)語

現(xiàn)有準光學系統(tǒng)的并行物理光學仿真技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，雖應(yīng)用效果較好，但流程較為繁瑣，同時應(yīng)用難度較大，需在現(xiàn)階段的應(yīng)用過程中逐步地根據(jù)準光學系統(tǒng)研究需要做出優(yōu)化與調(diào)整，從而使其能夠有效地在準光學系統(tǒng)的應(yīng)用過程中切實地發(fā)揮實際作用，以此為準光學系統(tǒng)研究、應(yīng)用與發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 韓振海.VirtualLab虛擬仿真在物理光學中的應(yīng)用[J].河西學院學報，2016（5）：33-38.endprint