准光学系统的并行物理光学仿真研究

段美玲

摘 要：目前，现有准光学系统应用效果总体较为良好，其主要原因在于物理光学仿真技术的广泛应用，该技术对于进一步提高准光学系统在社会各方面应用效果均起到一定的帮助作用，是现代准光学系统研究应用所需具备的必要条件，因此需在未来阶段的应用发展过程中，逐步对其内部应用环境等进行深入的分析与研究，从而使其能够在准光学系统方面发挥出更为有效的实际作用。

关键词：准光学系统 物理 光学仿真

中图分类号：G6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0125-02

近年来，物理光学仿真技术在准光学系统中的应用逐步广泛，成为现代光学系统应用的重要基础，同时对于进一步提高准光学系统实际有效性起到一定的推动作用，不仅能够有效地提高准光学系统研究应用效果，同时对于保证准光学系统更好地应用于天文研究等方面也有着重要意义，是现代准光学系统应用不可或缺的重要构成。

1 准光学简介

几何光学研究的是在波长趋于零的极限情况下波的辐射和传播特性，基本思想是用光线的传播代表定向的辐射束，其特点是光学元器件（透镜、反射镜）的尺寸足够大，因而波长的效应可以忽略。而当光源的尺寸与波长相比较小时，由于衍射效应，随着距离光源的远近不同，光源的辐射场分布会相应变化。与几何光学波长趋于零的极限情况不同，当系统尺寸与波长相近的时候，在光的辐射传播中，衍射效应占据主要地位。准光学代表了传统光学和电子学之间的学科，是对远红外和太赫兹频段信号的有关描述。对于电磁波谱的不同频段，都有其各自的电磁波的传播方法。例如，在无线电和微波频段，单模系统被广泛采用。在低頻端，同轴电缆是广泛采用的电磁波传播介质，与波长相比，同轴电缆的横截面尺寸相对较小，可以传播横电磁波（TEM）；但是，到了高频端，则广泛采用横截面尺寸与波长相当的波导作为电磁波的传播介质。

2 历史概述和发展现状

准光学发展主要起源于19世纪末期阶段，其主要的起源应用基础是无线电波技术，赫兹是首先应用准光学技术并对其加以研究的首位无线电波专家。由于在研究过程中受麦克斯韦电磁波理论影响，赫兹在实际实验研究过程中，主要对电波的形成及与电磁波的实际构成进行分析，对近现代无线电技术发展做出巨大贡献。在早期的无线电波研究过程中，由于资料相对较少，因此研究时间也相对较少，无法深刻地对该技术进行有效的分析与研究。20世纪初期阶段，商业广播无线电波最高传输上限为10m，受电磁波技术应用影响，部分学者对于聚焦辐射束波研究相对较少，同时由于轴天线技术应用的逐步广泛，对于波导技术研究应用不断增加，这也成为阻碍聚焦辐射束波技术研究的主要要素之一。

在后期的发展过程中，无线电波技术应用发展速度相对缓慢，直至第二次世界大战爆发初期，由于战争及军事通信需求，毫米电波成为替代无线电波的主要微波技术之一，随着研究的逐步深入，毫米电波研究在20世纪中叶不断盛行，并取得良好研究成果。微波技术研究与准光学技术研究虽有着一定的共同性，但在本质上仍存在着一定的差异。准光学研究主要依附于光学波段器件及系统发展应用，其研究基础多以通信系统为主，受激光技术光源研究影响，在准光学技术研究过程中，相关科研人员对于多种不同的通信模式提供了多个链路方案。其中主要的链路方案以自由空间及周期性导波为主。

科学技术的不断进步使电波技术发展逐步加快，使微波技术应用频段逐步提升，亚毫米波研究也逐步广泛。为方便对电磁波进行有序的研究与分析，在现代化电波研究过程中，针对不同的电波频率及长度，主要将电波进行排序归类，从而使其能够为直观地对电波技术进行深入的研究，该排列模式又称电磁波谱。

电磁波谱实际种类及频率的不同，使其具备不同的电磁波特性，所以其研究与应用方面，如不考虑实际的电容与电感，则可直接利用集总参数进行分析。于1931年初期阶段，电磁波波长长度再次被提升，从原始的10m提升至0.001mm，至此，系统化的电磁波通信技术逐步形成，成为现代电磁波应用的重要基础，同时亦被称为准光。

3 准光学系统构成

3.1 馈源

馈源主要应用于自由空间的电磁波传输中，通过自由空间的电磁波传导使其在波导设备中对传输信号进行接收。望远镜的反射面天线能够将实际的平面波进行转换，从而使其形成会聚球面波。馈源在球面波方面的作用主要是将球面波进行有效的收集，并在相对较短的时间内将其转换成为波导信号。馈源实际作用范围相对较多，在电磁波极化方面馈源也能够进一步发挥其实际作用，同时在波纹喇叭方面应用较为广泛。

3.2 反射镜

反射镜的作用较为广泛，在望远镜天线中可将会聚波束进行重聚聚焦，并进行信号探测，由于其信号探测及传输距离较远，因此多由于对遥远天体信号进行探测。反射镜及射电望远镜中应用效果较为良好，该设备构成主要由两组反射面组成，即主反射面和副反射面。该构件散布相对较大，所以主要用于在自由空间内进行平面波转换。而后利用会聚球面波优势来进行光束的传播对焦，从而使其进行有效的传播，在其传播过程中需根据传播距离进行重新聚焦。现阶段的反射镜应用种类较多，根据不同的反射镜使用用途，多分为球面反射镜、抛物面反射镜及双曲面反射镜等。

3.3 透镜

透镜的作用多用于波束耦合，由于准光学构件由多个不同元件构成，各元件间运行需要达到相同的频率，因此透镜便可有效地对波束进行耦合，使其运行频率达到一致。为能够进一步提高耦合效果，并保证各构件间的耦合有效性，通常需在透光学结构系统中加入透镜，透镜的厚度需根据实际光学结构设计而定，从而使其传播效率得到有效的提升。在此过程中波束的曲率半径易受到透镜的影响而发生改变，以便于更好地进行光学匹配。

4 界面设计

界面设计主要用于提高设备可视性，使其能够有效地融入到准光学系统分析中。该设计主要采用MFC单文档作为实际的设计构架，并对相关功能栏进行优化，以此确保其符合系统应用需要。

4.1 视图的设计

视图部分设计需进行功能性拆分，根据不同的设备使用功能来拆分为多个视图部分结构。而后对实际的视图部分进行系统模型的视图分析，从而根据实际的仿真结果来进行可视化窗口的输出。该系统主要应用二维平面成像技术，通过仿真结果对相关的数值进行优化，继而使其与二维平面数据保持一致，以此提高视图设计效果，该视图设计亦能够用于一维方向视图显示。

4.2 菜单的设计

参数设置子菜单下的5个菜单项涵盖了准光学系统的曲面建模、网格剖分，近/远场选取和工作频率等所有的参数设置，每一个菜单项关联了一个对话框。在界面与媒质参数设置对话框中，在界面参数设置表格中可以添加或删除准光学曲面，表格第一列中的序号代表了该曲面在准光系统建模中从馈源到近场的光路中的排列顺序，物理光学的中的馈源的波阵面将按照该顺序依次传播到各曲面界面上。对于每一曲面建模，需要设置的参数有11项。在对话框中左下角的文本框中有对曲面建模的形状和曲面参数的相关说明。媒质的数目比曲面的数目多一个，每添加一个曲面，媒质参数列表中会在相关的位置序号处自动增加一项；每删除一个曲面，媒质参数列表中相关位置序号出的媒质参数会自动删除。

5 结语

现有准光学系统的并行物理光学仿真技术应用较为广泛，虽应用效果较好，但流程较为繁琐，同时应用难度较大，需在现阶段的应用过程中逐步地根据准光学系统研究需要做出优化与调整，从而使其能够有效地在准光学系统的应用过程中切实地发挥实际作用，以此为准光学系统研究、应用与发展奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 韩振海.VirtualLab虚拟仿真在物理光学中的应用[J].河西学院学报，2016（5）：33-38.endprint