Ray Optics Module

Logiciel pour la Simulation du Lancer de Rayon dans des Systèmes Optiques de grande Taille

Ray Optics Module

Ce modèle tutorial montre le trajet de rayons lumineux non-polarisés dans un téléescope de Newton. La lumière incidente est réfléchie par un miroir parabolique vers un second miroir plat, qui réfléchit alors la lumière dans le plan focal. Ce type de télescope a été inventé par Newton en 1668 et est toujours utilisé du fait de son faible coût d'assemblage.

Calcul Effectif et Souple de Trajets Optiques

Le Ray Optics Module est utilisé pour la propagation des ondes électromagnétiques pour lesquelles la longueur d'onde est plus petite que les plus petits détails de la géométrie du modèle. L'onde électromagnétique est représenté par la trajectoire d'un rayon au travers d'un milieu homogène ou à gradient d'indice. Puisqu'il n'est pas pas nécessaire de résoudre la longueur d'onde à l'échelle du maillage, les trajets optiques peuvent être calculés sur de grands parcours à un coût numérique faible. Les rayons peuvent être réfléchis et réfractés aux interfaces entre les différents milieux.

Mise en Place Aisée des Modèles d'Optique Géométrique

Le Ray Optics Module propose nombre de conditions limites, notamment pour la réflexion spéculaire et diffuse. Les rayons peuvent émis à l'intérieur des domaines, aux frontières ou sur une grille uniforme de points. Des options dédiées existent pour le rayonnement solaire ou des rayons réfractés depuis une surface illuminée. Des outils spécialisés de post-traitement permettent d'analyser les trajectoires des rayons optiques, d'évaluer leurs propriétés et même de visualiser les figures d'interférence.


Images supplémentaires

  • Un monochromateur de  Czerny-Turner sépare spatialement une lumière polychromatique en une série de rayons monochromatiques. Ce modèle simule une configuration croisée de Czerny-Turner, consistant en un miroir de collimation sphérique, un réseau de diffraction plan et un réseau  de détecteur CCD. Le modèle utilise l'interface physique Geometrical Optics pour calculer les positions des rayons incidents sur le détecteur plan, afin de déterminer la résolution du détecteur. Un monochromateur de Czerny-Turner sépare spatialement une lumière polychromatique en une série de rayons monochromatiques. Ce modèle simule une configuration croisée de Czerny-Turner, consistant en un miroir de collimation sphérique, un réseau de diffraction plan et un réseau de détecteur CCD. Le modèle utilise l'interface physique Geometrical Optics pour calculer les positions des rayons incidents sur le détecteur plan, afin de déterminer la résolution du détecteur.
  • La combinaison de composants optiques, comme des polarisateurs et des retardateurs d'onde peut être utilisée, afin de contrôler l'intensité et la polarisation des ondes transmises. Dans ce modèle, deux polarisateurs linéaires orthogonaux réduisent l'intensité du faisceau à zéro. Puis, l'intensité et la polarisation du faisceau transmis est analysé avec un retardateur de type quart d'onde ou demi-onde, placé entre les deux polarisateurs. La combinaison de composants optiques, comme des polarisateurs et des retardateurs d'onde peut être utilisée, afin de contrôler l'intensité et la polarisation des ondes transmises. Dans ce modèle, deux polarisateurs linéaires orthogonaux réduisent l'intensité du faisceau à zéro. Puis, l'intensité et la polarisation du faisceau transmis est analysé avec un retardateur de type quart d'onde ou demi-onde, placé entre les deux polarisateurs.
  • Un disque en forme de parabole concentre l'énergie sur une cible (receveur), ce qui permet de générer des flux de chaleur locaux très intenses. Par exemple, pour générer de la vapeur, utilisable dans un générateur, ou de l'hydrogène, utilisable dans une pile à combustible. Dans ce modèle, le flux de chaleur parvient sur un receveur comme fonction de la position radiale, et est comparé avec des données de la littérature. Des corrections dues à la taille finie du soleil, l'assombrissement de la périphérie et la rugosité de surface, sont appliquées. Un disque en forme de parabole concentre l'énergie sur une cible (receveur), ce qui permet de générer des flux de chaleur locaux très intenses. Par exemple, pour générer de la vapeur, utilisable dans un générateur, ou de l'hydrogène, utilisable dans une pile à combustible. Dans ce modèle, le flux de chaleur parvient sur un receveur comme fonction de la position radiale, et est comparé avec des données de la littérature. Des corrections dues à la taille finie du soleil, l'assombrissement de la périphérie et la rugosité de surface, sont appliquées.

Simulations Multiphysiques en Optique Géométrique

Les contraintes, les changements de température et bien d'autres paramètres physiques sont susceptibles d'affecter le trajet des rayons optiques. Par exemple en déformant la géométrie d'un domaine, ou en modifiant l'indice de réfraction au sein d'un domaine. Inversement, un faisceau de haute puissance constitue une source de chaleur notable, qui peut entrainer des contraintes d'origine thermiques non-négligeables. Le Ray Optics Module simule de telles applications multiphysiques. Des options d'accumulation sur les frontières et les domaines permettent de créer des variables sur le suivi des rayons optiques au niveau du maillage. Notamment dans les cas spécifiques d'atténuation ou d'absorption. Avec ces options, il est possible de préciser des couplages unidirectionnels ou bidirectionnels entre les rayons optiques et les physiques associées. Par exemple pour créer un modèle de lentille thermique.

Options de Post-traitement Dédiées pour l'Analyse des Rayons Optiques

La trajectoire des rayons optiques est visualisable dans des graphiques spécifiques, dont la couleur ou la déformation peut être définies. Par exemple pour représenter en déformation l'amplitude du champ électrique instantané pour une onde polarisée. Le graphique permet de représenter l'évolution temporelle d'une propriété optique ou bien deux propriétés optiques à des instants précis. Avec le graphique d'interférence, il est possible d'observer l'interférence entre deux rayons polarisés dans un plan de coupe. D'autres outils permettent de générer les données associées aux rayons optiques, comme les cartes de Poincaré (intersection des trajectoires dans un plan) et le portrait de phase pour représenter l'écart entre deux variables pour tous les rayons dans un espace des phases.

Outils Internes pour l'Analyse de l'Intensité des Rayons, leur Polarisation et Plus

Le Ray Optics Module dispose d'outils internes spécialisés dans ses interfaces physiques. L'interface Geometrical Optics inclut des variables pour le calcul de l'intensité des rayons, utilisant les paramètres de Stokes, et permettant la modèlisation d'ondes polarisées ou non, ou partiellement cohérentes. La polarisation peut être changée en condition limite, en simulant des composants optiques, tels que des polarisateurs linéaires et des retardateurs d'onde. Pour le calcul de l'intensité, les rayons optiques sont vus comme des fronts d'onde avec prise en compte du rayon principal de courbure, ce qui permet de visualiser facilement les surfaces caustiques. A l'interface entre deux milieux, les coefficients de réflexion et de transmission sont calculés à l'aide des équations de Fresnel, avec la possibilité de prendre en compte des films minces diélectriques. Quand le champ électrique instantané est pertinent à connaitre, comme dans les interféromètres, une variable de phase est activable. D'autres options permettent le calcul du chemin optique, permettant de lâcher des rayons optiques en fonction d'une distribution de fréquence, et d'améliorer la précision des trajectoires dans un milieu absorbant.

Un Solveur Dédié

Bien que les trajectoires de rayon optique soient calculées dans le temps, il n'est pas toujours nécessaire de préciser un intervalle de temps. Il est possible de résoudre cette trajectoire en définissant une liste de chemins optiques. L'analyse est rendue plus efficace en précisant une condition d'arrêt si tous les rayons ont quitté le domaine de calcul, ou bien les rayons subsistant ont une intensité négligeable.

Michelson Interferometer

Thermally Induced Focal Shift

Solar Dish Receiver

Diffraction Grating

Vdara® Caustic Surface

Gravitational Lensing

Luneburg Lens

Anti-reflective Coating, Multilayer

Corner Cube Retroreflector

Distributed Bragg Reflector