基于ASAP的散射光双光束干涉仿真

第1页共12页《物理光学》课程基于ASAP的散射光双光束干涉仿真Two-beam-interference——divergingbeams组长姓名：李钟炜学号：U201314394专业班级：光电1312小组成员：李修哲张洋洋安昊胡琦黄海章完成日期：2015.12.5第2页共12页摘要光的干涉是物理光学中最重要的现象之一。本文分析了MIT实验视频中的光学原理，提炼了其物理模型。视频利用迈克尔逊干涉仪进行分振幅产生两相干光，在接收屏上观察到等倾圆纹。本文记录了利用强大的光学设计软件ASAP对该物理模型进行仿真的过程。关键词：光的干涉，迈克尔逊干涉仪，ASAP一、实验目的与光学原理【实验目的】1.观看MIT实验视频并了解其中物理光学内容2.认识迈克尔孙干涉仪的结构及了解其干涉原理3.学习ASAP软件的使用及相关程序的编写4.利用ASAP软件仿真迈克耳孙干涉仪并观察干涉现象5.将系统仿真结果与理论干涉结果进行比较【光学原理】迈克耳孙干涉仪是应用光的干涉原理，测量长度或长度变化的精密的光学仪器，其光路图如图。从氦氖激光器发出的单色光s，经扩束镜L将光束扩束成一个理想的发散光束，该光束射到与光束成45˚倾斜的分光板G1上，G1的后表面镀有铝或银的半反射膜，光束被半反射膜分成强度大致相同的反射光(1)和(2)。这两束光沿着不同的方向射到两个平面镜M1和M2上，经两平面镜反射至G1后汇合在一起。仔细调节M1和M2，就可以在E处观察到干涉条纹。G2为补偿板，其材料和厚度与G1相同，用以补偿光束(2)的光程，使光束(2)与光束(1)在玻璃中走过的光程大致相等。1、等倾干涉条纹等倾干涉条纹是迈克耳孙干涉仪所能产生的一种重要的干涉图样,如图所第3页共12页示。当M1和M2垂直时，像M'2是M2对半反射膜的虚象，其位置在M1附近。当所用光源为单色扩展光源时，我们在E处观察到的干涉条纹可以看作实反射镜M1和虚反射镜M'2所反射的光叠加而成的。设d为M1、M'2间的距离，θ为入射光束的入射角，θ'为折射角，由于M1、M'2间是空气层，折射率n=1，θ=θ'。当一束光入射到M1、M2镜面而分别反射出(1)、(2)两条光束时，由于(1)、(2)来自同一光束，是相干的，两光束的光程差δ为cos2sin2cos2dtgddADBCAC当d一定时，光程差δ随着入射角θ的变化而改变，同一倾角的各对应点的两反射光线都具有相同的光程差，这样的干涉，其光强分布由各光束的倾角决定，称为等倾干涉条纹。当用单色光入射时，我们在毛玻璃屏上观察到的是一组明暗相间的同心圆条纹，而干涉条纹的级次以圆心为最大(因δ=2dconθ=mλ，当d一定时，θ越小，conθ越大，m的级数也就越大)。当d减小(即M1向M'2靠近)时，若我们跟踪观察某一圈条纹，将看到该干涉环变小，向中心收缩(因d变小，对某一圈条纹2dconθ保持恒定，此时θ就要变小)。每当d减小λ/2，干涉条纹就向中心消失一个。当M1与M'2接近时，条纹变粗变疏。当M1与M'2完全重合(即d=0)时，视场亮度均匀。当M1继续沿原方向前进时，d逐渐由零增加，将看到干涉条纹一个一个地从中心冒出来，每当d增加λ/2，就从中间冒出一个，随着d的增加，条纹重叠成模糊一片，下图表示d变化时对于干涉条纹的影响。第4页共12页2、等厚干涉条纹若M1不垂直M2，即M1与M'2不平行而有一微小的夹角，且在M1与M'2相交处附近，两者形成劈形空气膜层。此时将观察到等厚干涉条纹，凡劈上厚度相同的各点具有相同的光程差，由于劈形空气层的等厚点的轨迹是平行于劈棱(即M1与M'2的交线)的直线，所以等厚干涉条纹也是平行于M1与M'2的交线的明暗相间的直条纹。当M1与M'2相距较远时，甚至看不到条纹。若移动M1使M1与M'2的距离变小时，开始出现清晰地条纹，条纹又细又密，且这些条纹不是直条纹，一般是弯曲的条纹，弯向厚度大的一侧，即条纹的中央凸向劈棱。在M1接近M'2的过程中，条纹背离交线移动，并且逐渐变疏变粗，当M1与M'2相交时，出现明暗相间粗而疏的条纹。其中间几条为直条纹，两侧条纹随着离中央条纹变远，而微显弯曲。随着M1继续沿着原方向移动时，M1与M'2之间的距离逐渐增大，条纹由粗疏逐渐变得细密，而且条纹逐渐朝相反方向弯曲。当M1与M'2的距离太大时，条纹就模糊不清。下图表示M1与M'2距离变化引起干涉条纹的变化。二、视频分析与仿真思路【视频分析】首先由氦氖激光器产生光束，光线经一次平面镜转向射入透镜以产生不同角度的光线，再经一次平面镜转向射入迈克尔孙干涉仪产生干涉，光线从迈克耳孙干涉仪出来经平面镜转向射到屏幕出现干涉条纹。最开始时迈克耳孙干涉仪中平面镜M1和平面镜M2垂直，产生类似于等倾干涉，故屏幕上出现圆环形干涉条纹。第5页共12页接着改变平面镜M2的位置，即改变其中一干涉臂的长度（增大），此时屏幕圆环形干涉条纹数增多。然后改变平面镜M1的角度，这时屏幕上条纹形状会发生变化，变为弧形。接下来同时调节平面镜M1的角度和平面镜M2的位置使屏幕上的干涉条纹全亮或全暗。这个实验利用迈克尔逊干涉仪产生了不同形状的干涉条纹。【仿真思路】课题题目为“基于ASAP的散射光双光束仿真”，核心是利用软件进行迈克尔逊干涉仪的仿真。迈克尔逊干涉仪可以用于产生等厚干涉和等倾干涉。对于该实验，参考示例的视频，可确定相应的设计及编程思路：设置器件于合适的初始位置，后续操作只需在初始设置的基础上做一些调整与改变。器件的初始位置设置。首先，利用格子光源产生平行光，经过一透镜后诸多光线以不同的方向入射到半反半透透镜，一部分光线反射照射到M1（参见上页实验仪器装置图），剩余部分光线透射后正入射到M2，反射后经过半反半透透镜。因此需要先做出一个半反半射透镜；再设计M1和M2，根据实验原理，M1和M2’(即M2的像)平行，因此M1和M2需设计为相互垂直。同时有平行光经半透半反后垂直入射到M2可令M2处于平行于Y的方向，以便于其他器件方位的确定，即:平行光源水平入射到平行于Y方向的透镜，半反半透透镜应可绕X旋转45度角，M1则处于平行于Z轴方向。其中以半透半反透镜的中心作为坐标原点O。实验中光源选择格子光源，发出平行光，只需用一透镜获得不同角度的入射光进入干涉仪。由于是单色光源，不需用补偿板。光线追踪，设置分辨率、设置相应窗口等即可。三、程序编写与系统仿真!!Two-beam-interference-----divergingbeams!!2015/12/6SYSTEMNEWRESETUNITSCENTIMETERSWAVELENGTH632.8NANOMETERS!!波长632.nmWL=632.8E-7PI=4*ATAN(1)!!圆周率，方便后续设定调整度数COATINGSPROPERTIES0.00.0'ABSORB'!!吸收为00.01.0'TRANSMIT'!!透射系数为11.00.0'REFLECT'!!反射系数为10.50.5'BEAM_SPLITTER'!!半反半透PL=100!!Pathlength!!定义参考长度100DIA=50!!Diameter第6页共12页!!扩束透镜INTERFACECOATINGTRANSMITAIRSCHOTT_BK7!!前表面ENTOBJECT;OPTICALZ-402000ELLIPSE3535'L2.FRONT'!!位置，三个半径INTERFACECOATINGTRANSMITSCHOTT_BK7AIRENTOBJECT;OPTICALZ-37-1500ELLIPSE3535'L2.BACK'INTERFACECOATINGTRANSMITAIRSCHOTT_BK7!!edge即确定界限ENTOBJECT;TUBEZ-403535-37353500'L2.EDGE'BOUNDS-.2+.3!!半透半反透镜SURFACESPLANEZ-1ELLIPSE(30)(1.414*30)000OBJECT'LENS.1'INTERFACECOATTRANSMITAIRSCHOTT_BK7FACETS44REDEFINECOLOR1SURFACESPLANEZ0ELLIPSE(30)(1.414*30)000OBJECT'LENS.2'INTERFACECOATBEAM_SPLITTERSCHOTT_BK7AIRFACETS44REDEFINECOLOR1SURFACESTUBEZ-1301.414*300301.41*30OBJECT'LENS.3'GROUPLENS.?!!利用GROUP即群操作整体旋转器件ROTATEX45!!RetroReflector1反射镜M1面SURFACESPLANEZ0ELLIPSE2@(DIA/2)OBJECT'RETRO1_FRONT'INTERFACECOATREFLECTAIRSCHOTT_BK7FACETS44REDEFINECOLOR1ROTATEX-90SHIFTY(PL+1)!!nocircularfringesifperfectlybalanced!!!RetroReflector2反射镜M1面SURFACESPLANEZ0ELLIPSE2@(DIA/2)OBJECT'RETRO2_FRONT'INTERFACECOATREFLECTAIRSCHOTT_BK7FACETS44REDEFINECOLOR1第7页共12页SHIFTZ(PL)!!DETECTOR接收（追踪）面SURFACESPLANEZ0ELLIPSE2@(DIA/2)!!利用圆面接收OBJECT'DETECTOR'INTERFACECOATABSORBAIRSCHOTT_BK7FACETS44REDEFINECOLOR1ROTATEX90SHIFTY-(PL)!!VerifyGeometryWINDOWYZ!!设定窗口坐标值PLOTFACETS77OVERLAY!!显示当前模型!!DefinesourcePARABASAL4!!4根副光线BEAMSCOHERENTDIFFRACT!!设定默认相干性WAVELENGTH6328ANGSTROMSWIDTHS1.6!!光的近基光线的缩放因子位1.6，使得高斯光束有一定折叠，使束更平滑GRIDELLIPTICZ-100-4@(DIA/2)2@11!!设置光源的位置，大小以及光通量SOURCEDIRECTIONZ00!!设置光源光线的传播方向TRACEPLOTCOLOR2!!追迹光线$VIEWPIXELS101!!设置窗口的分辨率CONSIDERONLYDETECTOR!!分析对象选为DET，只考察该对象对应的光线SPREADNORMAL!!求光通量和密度WINDOWZ-2@(DIA/2)X-2@(DIA/2)!!设置窗口的边界值（大小）WINDOW1.2!!Enlargeby20%,扩大绘图窗口MOVEBY1E-3!!displaceslightlypastdetectorfor3DViewer,使光线延给定方向相对移动SPREADNORMAL$COPY9INTERFEROGRAM.DIS!!复制源文件到目标文件&VIEWINTERFEROGRAM.DIS!!显示目标文件中的信息DISPLAYPICTURERETURN第8页共12页四、运行结果分析与讨论1：初始设置条件下，M1和M2相互垂直，未修改前，臂长相差为1cm，结果如下图。2:M2臂长增加1.5cm，观察到条纹数增多，结果如下图第9页共12页3：M1偏转0.2度，出现弧形，（偏转越大越趋于条纹状）结果如下图4、臂长相等，M1M2相互垂直时消光现象（呈现八边形是由于基线分的不够多，分的越细，正多边形边数越多，就越趋于圆）与视频中实验现象吻合，仿真正确。第10页共12页五、总结与展望要想实现对ASAP的熟练使用，不仅要求我们对物理光学的基本知识深入掌握，而且需要我们对此软件的代码及调用方法有所了解。前者帮助我们认知实验的原理以及设计光学系统以实现想要达到的光学效果，后者则是利用软件仿真来展示光学现象的基本条