Ray Optics Module

Zur Simulation von Strahlengängen in optisch großen Systemen

Ray Optics Module

Dieses Modell zeigt den Verlauf von unpolarisierten Lichtstrahlen durch ein Newton-Teleskop. Das auf einen Parabolspiegel einstrahlende Licht wird auf einen sekundären Planspiegel reflektiert, der das Licht auf die Brennebene reflektiert. Dieser Teleskoptyp geht auf eine Erfindung von Newton aus dem Jahre 1668 zurück und wird aufgrund der niedrigen Kosten noch heute hergestellt.

Effektive Berechnung von Strahlentrajektorien

Mit dem Ray Optics Module kann die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in Systemen modelliert werden, in denen die Wellenlänge wesentlich kürzer als das kleinste geometrische Detail im Modell ist. In diesem Modul werden elektromagnetische Wellen als Strahlen behandelt, die sich in homogenen und gradierten Medien ausbreiten können. Da es nicht erforderlich ist, die Wellenlänge mit einem Finite-Elemente-Netz aufzulösen, können Strahlengänge über lange Strecken mit wenig Rechenaufwand bestimmt werden. Zusätzlich kann mit diesem Modul die Reflektion und Brechung von Strahlen an den Übergängen zwischen unterschiedlichen Medien erfasst werden.

Einfache Erstellung von Strahlenoptikmodellen

Das Ray Optics Module enthält eine Reihe von Randbedingungen, darunter Kombinationen aus gerichteter und gestreuter Reflexion. Strahlen können aus Bereichen, von Rändern oder an gleichförmigen Punktegittern ausgesendet werden. Es stehen auch Funktionen zur Verfügung, mit denen die Sonnenstrahlung sowie die Ausstrahlung von reflektierten oder gebrochenen Strahlen von einer beleuchteten Oberfläche modelliert werden können. Mit umfangreichen Nachbearbeitungswerkzeugen können Sie mathematische Ausdrücke und physikalische Größen berechnen, Strahlengänge analysieren und Interferenzmuster visualisieren.


Weitere Bilder:

  • Ein Czerny-Turner-Monochromator trennt polychromatisches Licht in eine Reihe von monochromatischen Strahlen. Mit diesem Modell wird eine Czerny-Turner-Kreuzkonfiguration simuliert, die aus einem sphärischen Kollimatorspiegel, einem planaren Beugungsgitter, einem sphärischen Abbildungsspiegel und einem Array-CCD-Sensor besteht. Die Positionen der auf die Sensorebene treffenden Strahlen und die daraus abgeleitete Sensorauflösung werden mit dem Geometrische Optik-Interface berechnet. Ein Czerny-Turner-Monochromator trennt polychromatisches Licht in eine Reihe von monochromatischen Strahlen. Mit diesem Modell wird eine Czerny-Turner-Kreuzkonfiguration simuliert, die aus einem sphärischen Kollimatorspiegel, einem planaren Beugungsgitter, einem sphärischen Abbildungsspiegel und einem Array-CCD-Sensor besteht. Die Positionen der auf die Sensorebene treffenden Strahlen und die daraus abgeleitete Sensorauflösung werden mit dem Geometrische Optik-Interface berechnet.
  • Die Intensität und die Polarisation der ausgesendeten Strahlung können mit optischen Systemen (z. B. einer Kombination aus Polarisator und Verzögerungsplatte) gesteuert werden. Bei diesem Modell wird die Intensität eines Strahls mithilfe von zwei linearen Polarisatoren mit orthogonalen Übertragungsachsen auf Null gebracht. Nach der Platzierung einer Viertelwellen- oder Halbwellen-Verzögerungsplatte zwischen die beiden Polarisatoren wird die Intensität und die Polarisation des ausgesendeten Strahls analysiert. Die Intensität und die Polarisation der ausgesendeten Strahlung können mit optischen Systemen (z. B. einer Kombination aus Polarisator und Verzögerungsplatte) gesteuert werden. Bei diesem Modell wird die Intensität eines Strahls mithilfe von zwei linearen Polarisatoren mit orthogonalen Übertragungsachsen auf Null gebracht. Nach der Platzierung einer Viertelwellen- oder Halbwellen-Verzögerungsplatte zwischen die beiden Polarisatoren wird die Intensität und die Polarisation des ausgesendeten Strahls analysiert.
  • Sonnenenergie kann mit einem Parabolspiegel in einem Ziel (Empfänger) konzentriert werden, was zu sehr hohen lokalen Wärmeflüssen führt. Die Wärmeenergie kann Dampf erzeugen und so einen Generator antreiben. Die Wärmeenergie kann auch Wasserstoff erzeugen, der direkt als Kraftstoff eingesetzt werden kann. In diesem Modell wird der beim Empfänger ankommende Wärmefluss, der von der radialen Position abhängt, berechnet und mit publizierten Werten verglichen. Korrekturen aufgrund der endlichen Größe der Sonne, der Randverdunkelung und der Rauigkeit der Spiegeloberfläche wurden im Modell berücksichtigt. Sonnenenergie kann mit einem Parabolspiegel in einem Ziel (Empfänger) konzentriert werden, was zu sehr hohen lokalen Wärmeflüssen führt. Die Wärmeenergie kann Dampf erzeugen und so einen Generator antreiben. Die Wärmeenergie kann auch Wasserstoff erzeugen, der direkt als Kraftstoff eingesetzt werden kann. In diesem Modell wird der beim Empfänger ankommende Wärmefluss, der von der radialen Position abhängt, berechnet und mit publizierten Werten verglichen. Korrekturen aufgrund der endlichen Größe der Sonne, der Randverdunkelung und der Rauigkeit der Spiegeloberfläche wurden im Modell berücksichtigt.

Multiphysikalische Anwendungen in der Strahlenoptik

Mechanische Spannungen, Temperaturänderungen und andere physikalische Parameter können die Geometrie verformen oder sich auf Brechungsindizes auswirken und dadurch die Strahlengänge beeinflussen. Weiterhin können energiereiche Strahlen nicht zu vernachlässigende Wärmequellen darstellen, die sich auf das Temperaturfeld auswirken und erhebliche Temperaturspannungen verursachen. Das Ray Optics Module ermöglicht die Berücksichtigung all dieser Einflussgrößen bei der Simulation.

Mit Speicherfunktionen für Bereiche und Ränder können abhängige Variablen erstellt werden, die Daten über die Strahlen in den entsprechenden Bereich- oder Randnetzelementen speichern. Weiterhin kann die Leistung, die aufgrund von Strahlenabschwächung in Gebiete oder Strahlenabsorption an Rändern eingebracht wird, berechnet werden. Mit den Speicherfunktionen können auch unidirektionale oder bidirektionale Kopplungen zwischen den Strahlentrajektorien und den abhängigen Variablen, die mit anderen Physikinterfaces erstellt wurden, eingerichtet werden. Mithilfe dieser Kopplungen können zum Beispiel selbstkonsistente Modelle von thermischen Linseneffekten erstellt werden.

Leistungsfähige Nachbearbeitungsfunktionen zur Strahlenanalyse

Sie können Strahlen mit dem Strahlentrajektorien-Plot visualisieren, zu dem ein Farbausdruck oder eine Deformation hinzugefügt werden kann. Damit können beispielsweise polarisierte Strahlen verformt werden, um die Amplitude eines instantanen elektrischen Felds zu visualisieren. Sie können auch eine Eigenschaft aller Strahlen über die Zeit oder die Abhängigkeit einer Strahleneigenschaft von einer anderen Strahleneigenschaft in einem bestimmten Intervall von Zeitschritten plotten. Mit einem Interferenzmuster-Plot kann die Interferenz von polarisierten Strahlen, die eine Schnittebene schneiden, untersucht werden. Das Modul bietet weiterhin folgende Nachbearbeitungsfunktionen: Strahlenbewertung zur Erzeugung von numerischen Daten, Poincaré-Abbildung (Punktdiagramm) zur Untersuchung der Schnitte von Strahlentrajektorien mit einer Ebene und Phasenportrait zum Plotten von zwei Variablen in Abhängigkeit voneinander für alle Strahlen als Punkte im Phasenraum.

Integrierte Tools zur Analyse der Strahlenintensität, Polarisation und weiterer Größen

Das Ray Optics Module bietet eine Reihe von Physikinterfaces für spezielle Anwendungen und physikalische Beschreibungen. Dazu gehört das Geometrische Optik-Interface, das über Variablen zur Berechnung der Strahlenintensität mittels der Stokes-Parameter verfügt und die Modellierung von polarisierter, partiell kohärenter oder unpolarisierter Strahlung ermöglicht. Die Polarisation kann an Grenzflächen mithilfe von Randbedingungen für optische Komponenten, wie z. B. lineare Polarisatoren und Verzögerungsplatten, geändert werden. Zur Berechnung der Intensität werden die Strahlen als Wellenfronten behandelt, für die die Hauptkrümmungsradien berechnet werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine einfache Visualisierung der Brennflächen. An Grenzflächen werden Reflektions- und Transmissionskoeffizienten unter Verwendung der Fresnelschen Formeln berechnet. Bei den Berechnungen können eventuell vorhandene dünne dielektrische Schichten berücksichtigt und die Ergebnisse entsprechend korrigiert werden. Wenn das instantane elektrische Feld von Interesse ist, wie z. B. bei Interferometern, kann eine Variable für die Phase aktiviert werden. Andere Physikinterface-Einstellungen ermöglichen die Berechnung von optischen Weglängen, die Freisetzung von Strahlen mit einer Frequenzverteilung und eine Erhöhung der Genauigkeit von Strahlentrajektorien in absorbierenden Medien.

Maßgeschneiderten Solvereinstellungen

Obwohl die Strahlentrajektorien im Zeitbereich berechnet werden, ist es nicht immer erforderlich, eine Liste der Zeitschritte festzulegen. Mit der Raytracing-Studie können die Strahlengänge direkt berechnet werden, indem der gewünschte Bereich der optischen Weglängen definiert wird. Die Effizienz einer Analyse kann erhöht werden, indem der zeitabhängige Solver mithilfe von integrierten Stoppbedingungen beendet wird, wenn alle Strahlen den Modellbereich verlassen haben oder die verbliebenen Strahlen eine so geringe Intensität haben, dass sie vernachlässigt werden können. Mit diesen Stoppbedingungen wird verhindert, dass der Solver unnötige Zeitschritte ausführt.

Michelson Interferometer

Vdara® Caustic Surface

Diffraction Grating

Gravitational Lensing

Solar Dish Receiver

Thermally Induced Focal Shift

Anti-reflective Coating, Multilayer

Corner Cube Retroreflector

Distributed Bragg Reflector

Czerny-Turner Monochromator