基于VirtualLab的干涉光路模擬

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的建模與實驗仿真，闡述了VirtualLab仿真模擬技術在干涉中的多種應用，通過VirtualLab平臺的仿真技術，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，光學結果不穩定。各種大功率激光實驗還有危險因素。這時，隨著計算機技術的發展，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為例，介紹光學模擬設計平臺VirtualLab在光的干涉中的應用。體現出仿真結果與實驗結果的高吻合，可以精確快速的完成仿真模擬，展現出仿真技術在光學研究以及教學領域的重要性[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。（α和β分別表示新方向在xz和yz平面內的投影與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，便會出現比之前細密的條紋。可見，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制成了球面光波，兩束光波在Virtual?Screen元件處發生干涉[7]。調制后的平面波與球面波出現環形干涉條紋。

在此干涉中，同樣也可以像2.1中的系統一樣，通過調整α和β角度參數，來探究平面波傾斜程度與最終干涉光場分布的關系。

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元件參數進行設置，當設置偏轉角度為5°時，干涉條紋中心向右移動，當設置偏轉角度為10°時，干涉條紋中心向右側移動更多。當球面鏡偏轉角度增大時，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系，從而可以實現由參數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發生改變。

3?結論

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進行了仿真，通過依據現實器件搭建光學流程圖，合理設置各個元件參數，就可以得出實驗圖樣，確保了實驗的準確性、穩定性、安全性。虛擬仿真技術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的波長選擇開關仿真技術研究[D].中央民族大學，2020.

[2]WANG?Yuhcng，CHANG?Yilin，ZHANG?Jianqi，LU?Guanghao，WEI?Zhixiang.Semitransparent?Flexible?Organic?Solar?Cells.高等學校化學研究：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學院凝聚態專業，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學院，研究方向：光電子器件與光電材料。