Ray Optics Module

Software para simulações de trajetória de raios em sistemas opticamente grandes

Ray Optics Module

Este tutorial demonstra como traçar raios de luz não polarizada através de um sistema de telescópio de Newton. A luz que entra é refletida por um espelho parabólico em um espelho plano secundário que reflete a luz ao plano focal. Esse tipo de telescópio foi inventado por Newton em 1668 e ainda é fabricado até hoje devido a seu baixo custo de montagem.

Cálculo Eficiente e Versátil da Trajetória de Raios

O Ray Optics Module pode ser usado para modelar a propagação de ondas eletromagnéticas em sistemas onde o comprimento de onda é muito menor que o menor detalhe geométrico no modelo. As ondas eletromagnéticas são tratadas como raios que podem se propagar através de meios homogêneos ou graduais. Como não é necessário resolver o comprimento de onda com uma malha de elementos finitos, as trajetórias dos raios podem ser calculadas por longas distâncias a um baixo custo computacional. Os raios também podem sofrer reflexão e refração nos contornos entre diferentes meios.

Fácil Configuração de Modelos de Óptica de Raios

O Ray Optics Module contém várias condições de contorno, incluindo combinações de reflexão especular e difusa. Os raios podem ser emitidos de dentro de domínios, de contornos ou de uma grade uniforme de pontos. Recursos especializados de emissão também são disponibilizados para modelar a radiação solar e para emitir raios refletidos ou refratados a partir de uma superfície iluminada. Ferramentas de pós-processamento dedicadas oferecem muitas maneiras de analisar a trajetória dos raios, avaliar expressões ao longo de vários raios e até mesmo visualizar padrões de interferência.


Imagens adicionais:

  • Um monocromador de Czerny-Turner separas espacialmente a luz policromática em uma série de raios monocromáticos. Este modelo simula uma configuração cruzada de Czerny-Turner que consiste de um espelho colimador esférico, uma grade plana de difração, um espelho de imagem esférico e um dispositivo detector matriz de carga acoplada  (CCD). O modelo usa a interface física Geometrical Optics para calcular as posições dos raios incidentes no plano do detector, da qual a resolução do dispositivo pode ser derivada. Um monocromador de Czerny-Turner separas espacialmente a luz policromática em uma série de raios monocromáticos. Este modelo simula uma configuração cruzada de Czerny-Turner que consiste de um espelho colimador esférico, uma grade plana de difração, um espelho de imagem esférico e um dispositivo detector matriz de carga acoplada (CCD). O modelo usa a interface física Geometrical Optics para calcular as posições dos raios incidentes no plano do detector, da qual a resolução do dispositivo pode ser derivada.
  • Combinações de dispositivos óticos como polarizadores e retardadores  de onda podem ser usados para controlar a intensidade e polarização da radiação transmitida. Neste modelo, dois polarizadores lineares com eixos de transmissão ortogonais são usados para reduzir a intensidade de um raio à zero. Então, a intensidade e polarização do raio transmitido são analisados quando um retardador de quarto de onda, ou de meia onda, é colocado entre os polarizadores. Combinações de dispositivos óticos como polarizadores e retardadores de onda podem ser usados para controlar a intensidade e polarização da radiação transmitida. Neste modelo, dois polarizadores lineares com eixos de transmissão ortogonais são usados para reduzir a intensidade de um raio à zero. Então, a intensidade e polarização do raio transmitido são analisados quando um retardador de quarto de onda, ou de meia onda, é colocado entre os polarizadores.
  • Um disco paraboloidal pode concentrar energia solar em um alvo (receptor), resultando em fluxos de calor locais muito altos. Isto pode ser usado para gerar vapor, o qual pode ser usado para acionar um gerador; ou gerar hidrogênio, que pode ser usado diretamente como uma fonte de combustível. Neste modelo, o fluxo de calor chegando ao receptor como uma função da posição radial é calculado e comparado a valores publicados. Correções devido ao tamanho finito do sol, escurecimento de bordo e rugosidade de superfície, nas superfícies do disco são considerados. Um disco paraboloidal pode concentrar energia solar em um alvo (receptor), resultando em fluxos de calor locais muito altos. Isto pode ser usado para gerar vapor, o qual pode ser usado para acionar um gerador; ou gerar hidrogênio, que pode ser usado diretamente como uma fonte de combustível. Neste modelo, o fluxo de calor chegando ao receptor como uma função da posição radial é calculado e comparado a valores publicados. Correções devido ao tamanho finito do sol, escurecimento de bordo e rugosidade de superfície, nas superfícies do disco são considerados.

Aplicações Multifísicas em Óptica de Raios

Tensões, mudanças de temperatura e outros parâmetros físicos frequentemente podem afetar a trajetória dos raios, seja deformando a geometria do domínio ou afetando os índices refrativos dentro dos domínios. Da mesma forma, raios de alta potência podem gerar fontes de calor significativas que afetam o campo de temperatura e podem causar tensões térmicas consideráveis. O Ray Optics Module é totalmente capaz de simular essas aplicações multifísicas.

Recursos de acumulação em domínios e contornos podem ser usados para criar variáveis dependentes que armazenam informações acerca dos raios nos elementos de malha de contorno ou domínio correspondentes. Versões especializadas desses recursos calculam a potência de raios acumulada em domínios devido à atenuação de raios, ou em contornos devido à absorção de raios também são disponibilizadas. Usando os recursos de acumulação, é possível definir acoplamentos unidirecionais ou bidirecionais entre as trajetórias de raios e as variáveis dependentes criadas por outras interfaces físicas. Isso pode ser usado, por exemplo, para criar modelos autoconsistentes de efeitos de lente térmica.

Recursos de Pós-Processamento Dedicados à Análise de Raios

Pode-se visualizar raios usando o gráfico tipo Ray Trajectories, ao qual uma expressão de cor ou uma deformação pode ser adicionada. Isso pode ser usado, por exemplo, para deformar raios polarizados a fim de se visualizar a amplitude do campo elétrico instantâneo. O gráfico tipo Ray torna possível a representação de uma propriedade do raio ao longo do tempo para todos os raios ou duas propriedades dos raios, uma em relação à outra em um conjunto específico de intervalos de tempo. Com o tipo de gráfico Interference, pode-se observar a interferência de raios polarizados que interceptam um plano de corte. Outras ferramentas de pós-processamento incluem o recurso Ray Evaluation para gerar tabelas com dados numéricos, o Poincaré Map (diagrama de pontos) para observar a interseção de trajetórias de raios com um plano, e o Phase Portrait para comparar duas variáveis em função da fase, para todos os raios.

Ferramentas Integradas para Analisar a Intensidade dos Raios, a Polarização e Muito Mais

O Ray Optics Module vem com várias interfaces especializadas para aplicações e descrições físicas específicas conhecidas como interfaces físicas. A interface Geometrical Optics inclui variáveis opcionais para calcular a intensidade de raios usando os parâmetros de Stokes, o que permite a modelagem de radiação polarizada, parcialmente polarizada, ou não polarizada. A polarização pode ser modificada em contornos usando condições de contorno para componentes ópticos comuns, como polarizadores lineares e retardadores de onda. Ao computar a intensidade, os raios são tratados como frentes de onda cujos raios de curvatura principais são calculados, permitindo a visualização de superfícies cáusticas com facilidade. Nos contornos entre meios, os coeficientes de reflexão e transmissão são computados usando as equações de Fresnel, com a opção de aplicar correções com base na presença de filmes dielétricos finos. Quando o campo elétrico instantâneo for de interesse, como em interferômetros, é possível ativar uma variável para a fase. Outras configurações da interface física podem ser usadas para permitir o cálculo do comprimento de um caminho óptico, para permitir que raios sejam emitidos com uma distribuição de frequência e para melhorar a precisão da trajetória dos raios em meios absorventes.

Fácil Ajuste do Solver Usando Pré-Configurações Especializadas

Embora as trajetórias de raios sejam calculadas no domínio tempo, nem sempre é necessário especificar uma lista dos intervalos de tempo. A etapa de estudo Ray Tracing pode ser usada para solucionar as trajetórias de raios especificando diretamente a faixa desejada de comprimentos dos caminhos ópticos. É possível tornar o estudo mais eficiente usando condições integradas de parada para terminar o solver dependente do tempo se todos os raios deixarem o domínio de modelagem ou se os raios remanescentes tiverem intensidades desprezíveis, impedindo assim que o solver calcule passos de tempo desnecessários.

Michelson Interferometer

Vdara® Caustic Surface

Diffraction Grating

Gravitational Lensing

Solar Dish Receiver

Thermally Induced Focal Shift

Anti-reflective Coating, Multilayer

Corner Cube Retroreflector

Distributed Bragg Reflector

Czerny-Turner Monochromator