VirtualLab 虚拟仿真在物理光学中的应用研究
随着光学和计算机技术的日趋发展和相互融合， 计算机虚拟仿真技术在光学系统设计、光学建模、光学教学等领域越来越发挥其重要的作用. 近年来相继推出了一批功能强大、应用面广的专业光学软件， 大大提高了光学分析与系统设计的效率， 可以便捷、高效地设计性能优异的光学系统与器件. 如基于经典光学和现代光学基本原理的光学设计类软件， 主要有ZEMAX、CODE V、OSLO 等; 基于导波光学和光通信理论的光通信类软件， 主要有OptiBPM、Beamprop 等光波导设计软件及OptiSystem 等光通信系统仿真软件; 照明系统设计软件ASAP、Lighttools、TRACEPRO. 此外， 其它一些计算软件也可用于光学研究领域， 如数学软件Matlab 在光信息处理中的应用. 而VirtualLab则是目前非常受人瞩目的一款功能强大的光学系统仿真设计软件， 它在光学理论研究及应用领域可完成精确而快速的设计或虚拟仿真， 在光学教学过程中也可发挥其它软件所不具备的独特作用。
1 .VirtualLab 中的光学虚拟仿真功能
VirtualLab 是由德国LightTrans 公司研发的一款光学建模和系统设计分析软件， 它基于电磁场核心理论， 通过求解Maxwell 方程组获得整个光学系统在空间各个部分的光波场矢量信息， 即场追迹. 该系统内核运用了有限元FEM 数值计算方法和计算机图像处理技术， 在图形化的交互窗口中统一用Light Path 流程图的形式进行光学系统的建模与仿真分析， 其中的光源、光学元件、探测器都可以在光学元件库中灵活调用， 并且能随时对其各种光学特性参数进行设置和编辑， 是一个统一化的光学建模与分析平台. VirtualLab 兼容了几何光学、平面波角谱法、Fresnel 近轴近似、Fourier模态法、光束传播方法、ABCD 矩阵传输等多种模拟技术， 对光学系统的不同介质区域， 可自动选择传输模拟技术， 也可由用户根据需要自主设置传输方式. 由于VirtualLab 系统是基于光的电磁波描述和Maxwell 电磁场理论， 所以能够实现对光波场的完整描述. 在该平台上构建的光学系统中，包括空间任何位置在各个矢量方向上的振幅、相位和偏振等光场数据都可以通过探测器测得， 因而能为光学系统的建模和设计提供极大的准确性和灵活性.
在VirtualLab 中， 提供了基本工具箱(Starter Toolbox)、衍射光学工具箱(Diffraction OpticsToolbox)、光栅工具箱(Grating Toolbox)、激光谐振腔工具箱(Laser Resonator Toolbox)、光源工具箱(LightingToolbox)等， 这些丰富而又功能强大的工具箱使得光学系统的建模和设计更简单、准确和机动. 其中的基本工具箱是统一建模的平台， 适用于各种光学系统分析， 用于构建和分析多种光学系统， 该工具箱可用来定义光源、平面波、球面波以及它们通过镜片、非球面界面、从ZEMAX 导入的透镜系统、折射率调制器件、光阑、光栅和衍射器件的传播， 探测器则可以探测光场的各种数据; 衍射光学工具箱能实现光束整形设计、光束分束器设计和扩散器设计， 并且能对输出光场的衍射效率、信噪比、均匀误差等做出评估; 光栅工具箱包含有多种类型的光栅可供选用， 这为分析光栅和光子晶体提供了很好的支持， 利用该工具箱可分析远场衍射和近场衍射以及衍射效率;激光谐振腔工具箱主要用于激光谐振腔的建模和设计， 以及分析激光模式传播.
2. VirtualLab 虚拟仿真在物理光学中的应用
物理光学是从事光学及相关领域研究工作的基础， 也是现代光学的基础. 物理光学中既包含有丰富而又抽象的数理知识， 又涉及诸多复杂的实验过程. 光学虚拟仿真实验平台软件VirtualLab 利用先进的计算机数值模拟技术将物理光学中众多具有复杂、抽象概念的实验系统， 通过简单的流程图操作形式进行建模， 可以快速、准确地实现对复杂光学实验过程的仿真与分析研究。
2.1 光的干涉的虚拟仿真
在VirtualLab 中， 可以实现对任意两列光波相干叠加的干涉场的仿真， 也可以对迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德干涉仪、F-P 干涉仪等干涉系统进行仿真分析.这里以平面波和球面波的干涉为例， 来实现对两列相干光波的干涉仿真. 图1 是在VirtualLab中搭建的平面波和球面波干涉系统光路流程图. 将入射的平面光波通过一分束器分解为两部分， 一部分经一线性相位调制器后形成一个倾斜的平面波， 另一部分经一球面相位调制器后形成一个球面波. 将调制后的平面波和球面波在虚拟屏上叠加， 即可观察干涉场的分布. 是调制后的平面波和球面波的干涉光场强度， 其分布取决于两相干光波的调制情况。在此干涉系统中， 可以通过改变相位调制器的参数， 来分析研究干涉光场分布与两个相干光波传输参数之间的关系。
2.2 光的衍射的虚拟仿真
衍射是光波的基本属性. 光波衍射的解析计算通常比较复杂， 但在VirtualLab中， 利用丰富的光源类型和灵活的衍射屏组件， 可以比较容易地实现光波经各种衍射屏及光栅的菲涅尔衍射、夫琅禾费衍射场的仿真， 特别是利用功能强大的衍射设计模块， 还可以进行光学衍射系统的建模与系统设计.这里以非常典型的圆孔衍射和光栅的夫琅禾费衍射为例， 来进行虚拟仿真.是在Virtual-Lab 中搭建的菲涅尔圆孔衍射流程图. 将入射的球面光波通过一圆孔形光阑， 在距衍射屏z=200mm处(入射光波长=532nm，光阑孔径d=1mm，满足近场条件)的虚拟屏上观察菲涅尔衍射场. 图4 是
球面波经圆孔的菲涅尔衍射光场强度， 其分布取决于圆形光阑中半波带的数目. 图5 是在Virtual-Lab 中搭建的光栅夫琅禾费衍射流程图. 将入射的平面光波通过一个一维矩形光栅(光栅常数d =100m，缝宽a = 20m)， 在距衍射屏z = 2800mm(入射光波长= 532nm，满足远场条件)的虚拟屏上观察夫琅禾费衍射场. 是平面波经光栅的夫琅禾费衍射光场强度(单色平面光波入射，为三基色复色光入射)， 与光栅衍射光强分布关系相吻合， 其分布取决于光栅常数、缝宽、缝数等参数.在以上的衍射仿真系统中， 可以通过改变光源类型、衍射光阑的大小形状、光栅结构等参数，来实时地分析研究衍射光波场中任意位置的振幅、强度、相位分布等性质.
2.3 光的偏振的虚拟仿真
在VirtualLab 中， 可以根据需要产生和设置偏振光， 也可以对光波经过各种偏振器件后的偏振状态进行分析研究. 这里以偏振光通过波片组为例， 来对空间光波的偏振状态进行仿真. 是经偏振片P 的线偏振光依次通过两个同轴1/4 波片和1/2 波片的示意图，是在VirtualLab 中搭建波片后的偏振态， 可以看到呈右旋圆偏振光; 为右旋圆偏振光进一步透过1/2 波片后的偏振态， 可以看到呈左旋圆偏振光. 通过该波片组将线偏振光转化成了左旋圆偏振光.(a)入射线偏振光的偏振态(b)透过1/4 波片的偏振态(c)透过1/2 波片的偏振态在对光场偏振特性仿真的VirtualLab 系统平台中， 只要设置入射光波的偏振Jones 矢量以及偏振器件的Jones 矩阵， 就可以研究空间光波场的各种偏振性质.
3. 结论
本文在VirtualLab 平台中对几个光的干涉、光的衍射、光的偏振系统进行了建模与实验仿真，整个建模与仿真的过程无需编程， 只是对照光学系统的逻辑关系和功能来搭建光路流程图， 并定义、设置必要的光束与器件的参数. 因为VirtualLab 的内核是基于电磁场核心理论并采用了先进的计算机数值计算和图像处理技术， 因此其仿真的结果具有高度的形象化和精密的准确性， 可确保虚拟仿真的逼真效果， 能仿真任何物理光学的静态和动态实验过程， 不仅可用于光学器件与系统的虚拟仿真， 而且也可以用来进行相应的光学研究工作.