Klassische physikalische Optik
FRED verwendet die "Gaußsche Strahlzerlegung" zur Ausbreitung kohärenter Felder durch optomechanische Systeme. Diese sehr schnelle und effiziente Methode kann verwendet werden, um eine Vielzahl physikalischer Optiken genau zu modellieren.
Die "Gaußsche Strahlzerlegung" umfasst drei Schritte:
Die obigen Schritte geschehen für den Benutzer transparent, und Phänomene wie Beugung und Interferenz sind in dem Algorithmus enthalten, wodurch er zu einer flexiblen und benutzerfreundlichen Technik wird.
Dieser Artikel zeigt die Verwendung von FRED zur Modellierung einiger klassischer, bekannter Fälle.
Fraunhofer-Beugung
Das Modell zur Berechnung der Fraunhofer-Beugung ist sehr einfach und erfordert nur eine Quelle mit der gewünschten Aperturform und eine im Fernfeld befindliche Analysefläche.
Das Airy-Muster und das zweidimensionale Sinc2-Fraunhofer-Beugungsmuster einer kreisförmigen bzw. quadratischen Apertur sind in den folgenden Bildern dargestellt.
Diese Muster wurden unter Verwendung einer Quelle mit 20 mm Halbapertur bei einer Wellenlänge von 500 nm und einer 2,5 km entfernten Analyseoberfläche berechnet.
Fresnel-Beugung
Fresnel-Beugungsmuster sind defokussierte Fraunhofer-Beugungsmuster. Das Bild unten zeigt die Punktstreufunktionen (PSFs) auf beiden Seiten des Fokus eines unverfälschten Bildgebungssystems mit kreisförmiger Apertur.
Diese Reihe von Berechnungen wurde mithilfe der in FRED integrierten Skriptfunktion automatisiert, um die Analyseoberfläche schrittweise zu verschieben und die Bestrahlungsstärke zu berechnen. Die Fresnel-Beugungsmuster sind defokussierte Airy-Muster.
Spot of Arago (Poissons Spot)
In FRED wird eine kreisförmige Verdunkelung mit 2 mm Durchmesser vor einer 0,6328 um-Quelle mit einer kreisförmigen Öffnung von 8 mm Durchmesser angeordnet.
Wenn wir eine Analysefläche in einem Abstand von 400 mm von der Öffnung platzieren, können wir den Punkt von Arago in der Mitte des Schattens der Dunkelheit beobachten.
Young’s Slits
Young-Schlitze können sehr einfach modelliert werden, indem zwei kohärente Punktquellen derselben Wellenlänge am Ort jeder Apertur platziert werden.
Das folgende Bild zeigt eine Wellenlänge von 0,5 um für zwei durch 0,5 mm getrennte Schlitze mit einem Abstand zur Beobachtungsebene von 1000 mm. Wir können das stationäre sinusförmige Interferenzstreifenmuster berechnen.
NNewtons Ringe
Newtons Ringe werden beobachtet, wenn eine kugelförmige optische Oberfläche mit großem Radius auf eine optisch flache Testplatte gelegt wird, wodurch ein Interferenzmuster und das Bestrahlungsstärkeprofil über die Mitte des Musters erzeugt werden.
Das Zentrum des Interferenzmusters ist eher dunkel als hell, da mit der Reflexion von der Glas / Luft-Grenzfläche eine pi / 2-Phasenänderung verbunden ist, die Reflexion von der nachfolgenden Luft / Glas-Grenzfläche jedoch nicht.
Brewster’s Angle
Der Brewster-Winkel ist der eindeutige Einfallswinkel, für den der reflektierte Strahl vollständig linear polarisiert ist. Das Bild unten zeigt die Reflexion sowohl für s- als auch für p-Polarisationen von einer planaren Luft / N-BK7-Oberfläche. Beachten Sie, dass es keine p-polarisierte Komponente für Licht (Wellenlänge 0,6328 um) gibt, wenn es bei etwa 56,5 Grad einfällt.
Zusammenfassung
Die Gaußsche Strahlzerlegung von FRED ist eine flexible Methode zur Modellierung einer Vielzahl physikalischer Optikphänomene. Weitere Beispiele könnten Babinets Prinzip, Talbot-Effekt, frustrierte Totalreflexion, Speckle, Impulsausbreitung, Lichtwellenleiter-Kopplungseffizienz, Weißlichtinterferometrie, Malteserkreuz, partielle Kohärenz ua sein.
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