Εκπαιδευτικό πρόγραμμα FDTD: Διπλή σχισμή (συνεχές ημιτονοειδές κύμα)

1. Εισαγωγή

Το πείραμα της διπλής σχισμής είναι η κλασική επίδειξη που αποδεικνύει ότι το φως συμπεριφέρεται ως κύμα. Μια συνεκτική πηγή φωτός φωτίζει δύο στενές οπές και τα πεδία που διαπερνούν αυτές διαχέονται στην περιοχή πέρα από τις σχισμές. Επειδή και οι δύο σχισμές εκπέμπουν συνεκτικά κυματώματα, αυτά παρεμβάλλονται: οι περιοχές όπου η φάση ευθυγραμμίζεται σχηματίζουν μέγιστα έντασης, ενώ οι περιοχές με αντίθετη φάση σχηματίζουν ελάχιστα. Το αποτέλεσμα είναι ένα χαρακτηριστικό διάγραμμα διάθλασης σε σχήμα ανεμιστήρα, το οποίο τροποποιείται από τις παρεμβαλλόμενες ζώνες.

Θα εκτελέσετε το ενσωματωμένο παράδειγμα "Διπλή σχισμή", θα επιβεβαιώσετε ότι ανιχνεύεται μια συσκευή OpenCL (ώστε η προσομοίωση να μπορεί να εκτελεστεί σε μια GPU, εφόσον είναι διαθέσιμη) και στη συνέχεια θα εξετάσετε τις στιγμιότυπες εικόνες της πυκνότητας ισχύος για να δείτε πώς τα μετωπικά κύματα διαθλούν μέσα από τις δύο σχισμές και σχηματίζουν το αναμενόμενο μοτίβο συμβολής στην περιοχή του ελεύθερου χώρου.

2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.

Ξεκινήστε από το κύριο παράθυρο του OghmaNano και κάντε κλικ στην επιλογή "Νέα προσομοίωση". Στο παράθυρο περιήγησης "Νέα προσομοίωση", κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Παραδείγματα FDTD" και, στη συνέχεια, κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Διπλή σχισμή (??, ??)". Αυτό θα ανοίξει το κύριο παράθυρο προσομοίωσης που εμφανίζεται στην εικόνα ??.

3. Προσδιορισμός της θέσης σας στο κύριο παράθυρο.

Αφού φορτωθεί το παράδειγμα, η γεωμετρία εμφανίζεται στην καρτέλα «Δομή συσκευής» (??). Η καρτέλα «Τερματικό» εμφανίζει τα αποτελέσματα του επιλυτή κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, συμπεριλαμβανομένου του διαστήματος πλέγματος, του βήματος χρόνου και της επιλεγμένης συσκευής OpenCL. Η καρτέλα «Έξοδος» καταγράφει τα αρχεία που παράγονται από την προσομοίωση, συμπεριλαμβανομένου του καταλόγου στιγμιότυπων που περιέχει δεδομένα χρονικά εξαρτώμενης πυκνότητας ισχύος.

4. Εκτέλεση της προσομοίωσης.

Ξεκινήστε τον υπολογισμό κάνοντας κλικ στο "Εκτέλεση προσομοίωσης" (▶) ή πατώντας το πλήκτρο F9. Η έξοδος του προγράμματος επίλυσης εμφανίζεται στην καρτέλα "Τερματικό" (??). Σε αυτό το παράδειγμα, μπορείτε να δείτε μια πράσινη γραμμή κατάστασης που υποδεικνύει ότι το OghmaNano αναζητά συσκευές OpenCL και ότι έχει βρεθεί και επιλεγεί μια συσκευή OpenCL.

Αυτό είναι σημαντικό για την απόδοση. Εάν υπάρχει διαθέσιμη GPU που υποστηρίζει OpenCL (ενσωματωμένη ή ξεχωριστή), το OghmaNano μπορεί να εκτελέσει τα βήματα ενημέρωσης FDTD στην GPU αντί για την CPU, γεγονός που συνήθως είναι σημαντικά ταχύτερο για αυτούς τους υπολογισμούς που βασίζονται σε πλέγματα. Οι περισσότεροι σύγχρονοι υπολογιστές διαθέτουν τουλάχιστον μία συσκευή OpenCL, επομένως σε πολλές περιπτώσεις θα δείτε μια συσκευή να επιλέγεται αυτόματα. Εάν δεν βρεθεί συμβατή συσκευή, η προσομοίωση εξακολουθεί να εκτελείται στην CPU, απλώς θα διαρκέσει περισσότερο.

5. Έλεγχος των αποτελεσμάτων.

Όταν ολοκληρωθεί η εκτέλεση, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος" για να δείτε τα αρχεία που δημιουργήθηκαν από την προσομοίωση. Η λίστα εξόδου εμφανίζεται στο ??. Από εδώ, μπορείτε να ανοίξετε τον φάκελο snapshots/, ο οποίος περιέχει τις ποσότητες που προέρχονται από το πεδίο και εξαρτώνται από το χρόνο, οι οποίες αποθηκεύτηκαν κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης.

6. Προβολή στιγμιότυπων της ισχύος πυκνότητας.

Κάντε διπλό κλικ στον φάκελο snapshots/ στην καρτέλα "Έξοδος" για να ανοίξετε το πρόγραμμα προβολής στιγμιότυπων. Στη συνέχεια, επιλέξτε το αρχείο power_density.csv για να δημιουργήσετε το γράφημα. Η μπάρα στο κάτω μέρος του προγράμματος προβολής σας επιτρέπει να μετακινηθείτε στο χρόνο, ώστε να παρακολουθήσετε πώς εξελίσσεται η πυκνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας καθώς εξελίσσεται η προσομοίωση.

Η ακολουθία που παρουσιάζεται στα ??–?? απεικονίζει την αναμενόμενη φυσική συμπεριφορά. Το συνεχές ημιτονοειδές κύμα εισέρχεται στη δομή, φτάνει στις δύο οπές και στη συνέχεια διαθλάται στην περιοχή πέρα από τις σχισμές. Επειδή υπάρχουν δύο συνεκτικές πηγές, τα διασκορπισμένα κύματα αλληλεπιδρούν και παρεμβάλλονται, δημιουργώντας μια περιοχή διάθλασης σε σχήμα ανεμιστήρα με εναλλασσόμενες ζώνες που αντιστοιχούν σε εποικοδομητική και καταστροφική παρεμβολή.

Το χρωματικό σχήμα του προγράμματος προβολής στιγμιότυπων μπορεί να αλλάξει κάνοντας κλικ στην επιλογή "Χρώματα". Αυτό δεν αλλάζει το αποτέλεσμα της προσομοίωσης· απλώς αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο τα ίδια δεδομένα αντιστοιχίζονται στην παλέτα που εμφανίζεται. Για δημοσιεύσεις ή για εκπαιδευτικούς σκοπούς, μπορεί να είναι χρήσιμο να αλλάξετε την παλέτα, ώστε οι παρεμβαλλόμενες λωρίδες να είναι ευκολότερο να διακρίνονται σε σχέση με το φόντο.

7. Ερμηνεία αυτού που βλέπετε.

Το βασικό χαρακτηριστικό του αποτελέσματος της διπλής σχισμής είναι ο συνδυασμός δύο φαινομένων. Πρώτον, κάθε σχισμή παράγει διάθλαση, επομένως ακόμη και μια μόνο σχισμή θα διεύρυνε το πεδίο που διαπερνά, δημιουργώντας μια διάχυτη κατανομή. Δεύτερον, επειδή υπάρχουν δύο σχισμές που τροφοδοτούνται από την ίδια συνεκτική πηγή, τα πεδία που διαπερνούν παραμένουν συσχετισμένα ως προς τη φάση, έτσι η υπέρθεσή τους παράγει φαινόμενα συμβολής. Στις στιγμιαίες εικόνες, αυτό εμφανίζεται ως ένα δομημένο μοτίβο στην περιοχή πέρα από τις σχισμές, όπου ζώνες υψηλής πυκνότητας ισχύος διαχωρίζονται από περιοχές χαμηλότερης ισχύος.

Σε μια συνεχόμενη λειτουργία ημιτονοειδούς κύματος (CW), συνήθως υπάρχει μια αρχική μεταβατική φάση καθώς ο χώρος γεμίζει με το εισαγόμενο πεδίο, ακολουθούμενη από μια φάση όπου το πεδίο ταλαντώνεται ημιτονοειδώς και το μοτίβο της πυκνότητας ισχύος φαίνεται σταθερό με την πάροδο του χρόνου, όταν παρατηρείται με τη συχνότητα δειγματοληψίας. Εάν παρατηρήσετε ισχυρές ανεπιθύμητες ανακλάσεις, απροσδόκητες φωτεινές ζώνες κοντά στα όρια ή ένα ασταθές, αυξανόμενο πεδίο, οι συνήθεις ύποπτοι είναι οι οριακές συνθήκες, η ανεπαρκής πάχος της απορροφητικής στρώσης ή ένα βήμα χρόνου που είναι υπερβολικά μεγάλο για την επιλεγμένη ανάλυση του πλέγματος.

8. Γρήγοροι έλεγχοι και συνηθισμένες αιτίες αστοχίας.

• Απροσδόκητες ανακλάσεις: βεβαιωθείτε ότι οι απορροφητικές οριακές συνθήκες (CPML) είναι ενεργοποιημένες και έχουν επαρκές πάχος, και ότι οι πηγές δεν βρίσκονται πολύ κοντά στο όριο.
• Εάν το σχέδιο φαίνεται «τετραγωνισμένο» ή παραμορφωμένο, αυξήστε την χωρική ανάλυση κοντά στις σχισμές, επειδή οι ευκρινείς λεπτομέρειες είναι πιο ευαίσθητες στη διασπορά του πλέγματος.
• Αργή εκτέλεση: ελέγξτε την έξοδο του τερματικού για την επιλογή της συσκευής OpenCL· εάν η εκτέλεση γίνεται στην CPU, θα είναι πιο αργή.
• Βεβαιωθείτε ότι δεν υπάρχουν εμφανείς παρεμβολές: ελέγξτε ότι η διέγερση είναι συνεκτική και ότι σχεδιάζετε το power_density.csv από το snapshots/ και όχι από κάποια άσχετη έξοδο.

9. Ενεργοποίηση οπτικών ανιχνευτών.

Το παράδειγμα της διπλής σχισμής μπορεί προαιρετικά να καταγράψει την οπτική ισχύ που προσπίπτει σε περιοχές ανιχνευτών που ορίζονται από τον χρήστη. Αυτοί οι ανιχνευτές λειτουργούν σαν μικρά παράθυρα παρακολούθησης που τοποθετούνται στον χώρο της προσομοίωσης: κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, το OghmaNano ενσωματώνει την ισχύ που διασχίζει κάθε περιοχή ανιχνευτή και αποθηκεύει μια χρονική σειρά στον κατάλογο εξόδου.

Για να ενεργοποιήσετε τους ανιχνευτές, μεταβείτε στην καρτέλα "Οπτικά" και εντοπίστε το κουμπί "Οπτικοί ανιχνευτές", το οποίο εμφανίζεται με ένα εικονίδιο κάμερας τύπου CCD (??).

Κάνοντας κλικ στην επιλογή "Οπτικοί ανιχνευτές", ανοίγει ο επεξεργαστής ανιχνευτών. Σε αυτό το παράδειγμα, υπάρχουν δύο ανιχνευτές (με ονόματα "ένας" και "δύο") και και οι δύο είναι αρχικά απενεργοποιημένοι. Όταν ένας ανιχνευτής είναι απενεργοποιημένος, η εργαλειοθήκη εμφανίζει μια κόκκινη ένδειξη κατάστασης "Απενεργοποιημένος". Κάντε κλικ στο κουμπί "Απενεργοποιημένος" για να τον ενεργοποιήσετε. η ένδειξη γίνεται πράσινη για να δείξει ότι ο ανιχνευτής είναι ενεργός (??, ??). Επαναλάβετε αυτή τη διαδικασία για τον δεύτερο ανιχνευτή, ώστε και οι δύο να είναι ενεργοποιημένοι.

Στον επεξεργαστή ανιχνευτών, μπορείτε επίσης να δείτε τη θέση του ανιχνευτή (x, y, z) και το μέγεθός του σε μικρόμετρα. Για αυτό το σεμινάριο, δεν χρειάζεται να αλλάξετε καμία από αυτές τις τιμές· το παράδειγμα έχει προδιαμορφωθεί για να επιδείξει ένα σημαντικό φυσικό σημείο: ένας ανιχνευτής βρίσκεται σε μια περιοχή υψηλής διαθλασμένης έντασης, ενώ ο άλλος βρίσκεται σε μια περιοχή όπου το διαθλασμένο πεδίο είναι σχετικά ασθενές.

10. Εκτελέστε ξανά και ελέγξτε τις εξόδους του ανιχνευτή.

Αφού ενεργοποιήσετε τους ανιχνευτές, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση (▶ ή F9). Όταν ολοκληρωθεί η εκτέλεση, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος". Τώρα θα πρέπει να δείτε δύο επιπλέον εγγραφές εξόδου που αντιστοιχούν στα αποτελέσματα των ανιχνευτών (για παράδειγμα detector0 και detector1), όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Κάντε διπλό κλικ σε κάθε εγγραφή ανιχνευτή για να ανοίξετε το γράφημα ισχύος έναντι χρόνου (??, ??).

Η διαφορά μεταξύ των δύο σημάτων είναι ευκολότερο να γίνει κατανοητή συγκρίνοντας τις κάθετες κλίμακες τους. Ένας ανιχνευτής καταγράφει την ισχύ σε επίπεδο λίγων μικροβάτ (ή και λιγότερο), ενώ ο άλλος καταγράφει ένα σημαντικά μεγαλύτερο σήμα όταν το διαθλασμένο πεδίο φτάνει σε αυτόν. Η καθυστέρηση στην έναρξη και στα δύο σήματα είναι αναμενόμενη: η προσομοίωση ξεκινά στο t=0 με την ενεργοποίηση της πηγής και οι ανιχνευτές δεν μπορούν να ανταποκριθούν μέχρι να διαδοθεί το ηλεκτρομαγνητικό κύμα από την πηγή, μέσω των σχισμών και σε όλη την περιοχή του ελεύθερου χώρου, μέχρι να φτάσει στις θέσεις τους.

11. Φυσική ερμηνεία: ανιχνευτές και δακτύλιοι διάθλασης.

Ο σκοπός της τοποθέτησης δύο ανιχνευτών είναι να συσχετίσει τα δεδομένα στον χρονικό τομέα με το χωρικό πρότυπο διάθλασης. Σε ένα σύστημα διπλής σχισμής, η δομή της μακρινής περιοχής δεν είναι ομοιόμορφη: υπάρχουν κατευθύνσεις στις οποίες οι συνεισφορές των δύο σχισμών αθροίζονται εποικοδομητικά (υψηλή ένταση) και κατευθύνσεις στις οποίες αθροίζονται καταστροφικά (χαμηλή ένταση). Με άλλα λόγια, το διαθλασμένο πεδίο σχηματίζει λοβούς και κοιλάδες, και η μετρούμενη ισχύς του ανιχνευτή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το αν ο ανιχνευτής βρίσκεται σε μια φωτεινή περιοχή ή σε μια περιοχή μηδενικής έντασης.

Αυτό είναι άμεσα ορατό στην προβολή της στιγμιαίας εικόνας με τους ανιχνευτές (??). Ένας ανιχνευτής βρίσκεται στην πορεία μιας ισχυρής διαθλασμένης περιοχής και, ως εκ τούτου, συσσωρεύει σημαντική οπτική ισχύ. Ο άλλος ανιχνευτής βρίσκεται σε μια περιοχή όπου η συμβολή είναι κυρίως καταστροφική (μια κοιλάδα του μοτίβου), επομένως σχετικά μικρή ισχύς διαπερνά την περιοχή παρακολούθησής του. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι δύο καμπύλες εξόδου διαφέρουν κατά τάξεις μεγέθους, παρόλο που οι ανιχνευτές είναι διαφορετικά πανομοιότυπα αντικείμενα.

Εννοιολογικά, πρόκειται για την ίδια φυσική που χρησιμοποιείται στην οπτική μετρολογία και στην απεικόνιση: ένας ανιχνευτής δεν μετρά μια αφηρημένη «συνολική ισχύ» της προσομοίωσης, αλλά μετρά το τμήμα του πεδίου που διασχίζει τη συγκεκριμένη περιοχή του στην συγκεκριμένη θέση του. Ακόμη και μια μικρή μετατόπιση του ανιχνευτή μπορεί να τον μετακινήσει από μια φωτεινή περιοχή σε μια γειτονική σκοτεινή περιοχή, γεγονός που μπορεί να αλλάξει δραματικά την μετρούμενη ισχύ. Στα πρακτικά συστήματα, αυτή η ευαισθησία είναι ακριβώς ο λόγος για τον οποίο τα φαινόμενα της διάθλασης και της συμβολής είναι χρήσιμα: κωδικοποιούν γεωμετρικές πληροφορίες (απόσταση σχισμών, μέγεθος διαφράγματος, μήκος κύματος) σε μετρήσιμες κατανομές έντασης.

12. Ρύθμιση της σχισμής.

Ένα από τα πλεονεκτήματα μιας αριθμητικής προσομοίωσης FDTD είναι ότι η γεωμετρία μπορεί να τροποποιηθεί διαδραστικά και η προκύπτουσα οπτική συμπεριφορά μπορεί να εξερευνηθεί άμεσα. Σε αυτή την ενότητα, τροποποιούμε τη θέση του κεντρικού στοιχείου που εμποδίζει τη διέλευση και σχηματίζει το άνοιγμα διπλής σχισμής, και παρατηρούμε πώς αυτό επηρεάζει το πρότυπο διάθλασης και την ισχύ που ανιχνεύεται από τους δύο οπτικούς ανιχνευτές.

Χρησιμοποιώντας το ποντίκι στο παράθυρο της τρισδιάστατης συσκευής, επιλέξτε το κεντρικό τμήμα που αποτελεί τη διπλή σχισμή και σύρετέ το προς την αριστερή πλευρά της δομής, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Κανονικά, τα αντικείμενα δεν μπορούν να περάσουν το ένα μέσα από το άλλο κατά τη διάρκεια της μετακίνησης, αλλά εάν το τμήμα συγκρουστεί με ένα άλλο αντικείμενο, μπορείτε να κρατάτε πατημένο το πλήκτρο Shift κατά τη διάρκεια της μετακίνησης. Αυτό επιτρέπει στο τμήμα να περάσει μέσα από άλλα γεωμετρικά σχήματα, ώστε να μπορεί να επανατοποθετηθεί εύκολα.

Αφού μετακινήσετε το μπλοκ, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση (▶ ή F9). Η προκύπτουσα κατανομή του οπτικού πεδίου εμφανίζεται στην ??.

Σε αυτή τη διαμόρφωση, η οπτική δέσμη δεν διασπάται πλέον σε δύο συγκρίσιμες πηγές διάθλασης. Αντίθετα, το φως περνά κυρίως από ένα μόνο άνοιγμα και διαδίδεται προς τα εμπρός με πιο συγκεντρωμένο τρόπο. Εξακολουθεί να συμβαίνει κάποια διάθλαση, επειδή κάθε πεπερασμένο άνοιγμα παράγει διασπορά σύμφωνα με την κυματική οπτική, αλλά το πρότυπο συμβολής που δημιουργούνταν προηγουμένως από δύο συνεκτικές σχισμές είναι πλέον πολύ πιο ασθενές. Ως αποτέλεσμα, οι ανιχνευτές λαμβάνουν πολύ μικρότερη οπτική ισχύ σε σύγκριση με την αρχική γεωμετρία.

13. Μετακίνηση του μπλοκ προς την πηγή.

Στη συνέχεια, τροποποιούμε τη γεωμετρία με έναν διαφορετικό τρόπο. Χρησιμοποιώντας ξανά το ποντίκι, σύρετε το κεντρικό μπλοκ προς τα πίσω, προς την οπτική πηγή, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Όπως και πριν, μπορείτε να κρατάτε πατημένο το πλήκτρο Shift κατά τη διάρκεια της μετακίνησης, ώστε το μπλοκ να μπορεί να περάσει μέσα από άλλα αντικείμενα, αν χρειαστεί.

Αφού επανατοποθετηθεί το μπλοκ, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Η προκύπτουσα κατανομή πεδίου εμφανίζεται στην ??.

Η μετακίνηση του στοιχείου που εμποδίζει πιο κοντά στην πηγή αλλάζει την αποτελεσματική γεωμετρία του διαφράγματος και, κατά συνέπεια, μεταβάλλει τη χωρική κατανομή του μεταδιδόμενου οπτικού πεδίου. Δεδομένου ότι η διάθλαση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το σχήμα και τη θέση του διαφράγματος σε σχέση με το εισερχόμενο κύμα, ακόμη και σχετικά μικρές γεωμετρικές αλλαγές μπορούν να τροποποιήσουν σημαντικά την προκύπτουσα δομή παρεμβολής. Σε αυτή την περίπτωση, οι διαθλασμένες δέσμες εμφανίζονται σε διαφορετικές γωνίες και το μοτίβο παρεμβολής αλλάζει αναλόγως.

Αυτό καταδεικνύει ένα βασικό χαρακτηριστικό των προσομοιώσεων οπτικής των κυμάτων: τα πρότυπα διάθλασης καθορίζονται αποκλειστικά από τη γεωμετρία και το μήκος κύματος. Τροποποιώντας τη φυσική διάταξη της δομής, μπορείτε να εξερευνήσετε πώς το σχήμα του διαφράγματος, η απόσταση μεταξύ των σχισμών και η τοποθέτηση των εμποδίων επηρεάζουν την τελική κατανομή του οπτικού πεδίου και την ισχύ που μετρούν οι ανιχνευτές που τοποθετούνται εντός του πεδίου προσομοίωσης.

14. Προσθήκη φακού χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή πλέγματος.

Στις προηγούμενες ενότητες, εξερευνήσαμε πώς η αλλαγή της γεωμετρίας του διαφράγματος επηρεάζει το πρότυπο διάθλασης. Σε αυτή την τελευταία ενότητα, προχωράμε ένα βήμα παραπέρα και δείχνουμε πώς να μετατρέψουμε ένα απλό αντικείμενο σε ένα πιο σύνθετο πλέγμα χρησιμοποιώντας τον επεξεργαστή πλεγμάτων. Αυτή είναι μια ισχυρή διαδικασία στο OghmaNano: μπορείτε να ξεκινήσετε με απλά πρωτόγονα στοιχεία για να αποκτήσετε μια καλή αίσθηση, και στη συνέχεια να εισάγετε σταδιακά πιο ρεαλιστικά οπτικά στοιχεία, όπως φακούς, καμπύλες επιφάνειες και εισαγόμενα πλέγματα CAD.

Πρώτα, επαναπροσανατολίστε την προβολή της συσκευής, ώστε να ταιριάζει με το ??. Στη συνέχεια, κάντε δεξί κλικ στο κεντρικό τμήμα της δομής διπλής σχισμής και ανοίξτε τον επεξεργαστή πλέγματος. Αυτό θα ανοίξει τον επεξεργαστή που εμφανίζεται στο ??. Στον επεξεργαστή πλέγματος, κάντε κλικ στο κουμπί "Lens" και εισαγάγετε τις παραμέτρους ακριβώς όπως εμφανίζονται στο ??.

Με αυτές τις τιμές μπορείτε να δημιουργήσετε ένα αντικείμενο σε σχήμα φακού. Εάν αφήσετε τον φακό στην προεπιλεγμένη του θέση, θα εμφανίζεται ως ένας «επίπεδος» φακός στην προβολή της συσκευής, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Για αυτό το σεμινάριο, δεν θέλουμε ο φακός να βρίσκεται σε επίπεδη θέση στο επίπεδο της προσομοίωσης, επειδή το οπτικό πεδίο δεν θα αλληλεπιδράσει με αυτόν με ουσιαστικό τρόπο. Ο φακός πρέπει να περιστραφεί ώστε να στέκεται όρθιος και να παρεμβάλλεται στην διαδιδόμενη κυματομετωπή.

15. Περιστροφή του φακού και ρύθμιση ενός οπτικού υλικού.

Για να περιστρέψετε το νέο αντικείμενο φακού, κάντε δεξί κλικ στον φακό και ανοίξτε τον Επεξεργαστή αντικειμένων. Αυτό θα ανοίξει τον επεξεργαστή που εμφανίζεται στην εικόνα ??. Ορίστε τις γωνίες περιστροφής στις τιμές 90, 90 και 0 (x, y, z), ακριβώς όπως φαίνεται. Αυτό θα περιστρέψει τον φακό, έτσι ώστε να στέκεται όρθιος στην πορεία διάδοσης και να μπορεί να αλληλεπιδρά έντονα με το εισερχόμενο πεδίο.

Ενώ βρίσκεστε στον επεξεργαστή αντικειμένων, κάντε τον φακό οπτικά διαφανή επιλέγοντας το οπτικό υλικό που φαίνεται στην εικόνα: ανόργανο/Si/Πράσινο-2008. Αυτό είναι ένα βολικό προφίλ δείκτη διάθλασης ευρείας ζώνης για το πυρίτιο, κατάλληλο για την επίδειξη της διάθλασης και της συμπεριφοράς εστίασης. Με την ανάθεση αυτού του υλικού, ο φακός γίνεται ένα πραγματικό διαθλαστικό αντικείμενο και όχι απλώς ένα γεωμετρικό εμπόδιο.

Αφού οριστούν η περιστροφή και το υλικό, η γεωμετρία θα πρέπει να έχει την εμφάνιση που φαίνεται στην εικόνα ??, όπου ο φακός βρίσκεται σε κάθετη θέση στην περιοχή προσομοίωσης.

16. Εκτέλεση της προσομοίωσης FDTD με τον φακό.

Επαναλάβετε την προσομοίωση με τον φακό στη θέση του. Ένα χαρακτηριστικό στιγμιότυπο της κατανομής της ισχύος εμφανίζεται στην ??. Μπορείτε να δείτε καθαρά την εισερχόμενη κυματική μετωπή να αλληλεπιδρά με την καμπύλη διαθλαστική επιφάνεια: ένα μέρος του πεδίου διαπερνά τον φακό και διαθλάται, ενώ ένα μέρος ανακλάται προς την πηγή.

Το διαδιδόμενο πεδίο σχηματίζει μια περιοχή με πολύ πιο πυκνή δομή μετώπων κυμάτων εντός και γύρω από τον φακό, και το εξερχόμενο πεδίο παρουσιάζει ενδείξεις εστίασης: η διαδιδόμενη ενέργεια συγκεντρώνεται σε μια μικρότερη περιοχή, αντί να συνεχίζει να διαχέεται ελεύθερα, όπως στην περίπτωση της απλής διαφράγματος. Ταυτόχρονα, η ανάκλαση από τον φακό στέλνει ένα σημαντικό μέρος της οπτικής ισχύος πίσω προς την περιοχή της διαφράγματος, γεγονός που μειώνει την ποσότητα της ισχύος που φτάνει στους ανιχνευτές που βρίσκονται στην κάτω πλευρά. Αυτό είναι ακριβώς αυτό που θα περιμέναμε φυσικά: ένα διαθλαστικό στοιχείο εισάγει ασυμφωνία σύνθετης αντίστασης στις διεπαφές του, και εκτός εάν ο φακός είναι επικαλυμμένος με αντι-ανακλαστική επίστρωση ή έχει προσαρμοσμένο δείκτη διάθλασης, η ανάκλαση Φρένελ μπορεί να είναι σημαντική.

Αυτό το παράδειγμα καταδεικνύει γιατί τα εργαλεία «μετασχηματισμού πλέγματος» είναι σημαντικά στις πρακτικές προσομοιώσεις. Ακόμη και τα απλά συστήματα γρήγορα χαρακτηρίζονται από καμπύλες επιφάνειες και κατασκευασμένα οπτικά εξαρτήματα. Η δυνατότητα μετατροπής ενός απλού μπλοκ σε φακό (ή οποιοδήποτε άλλο αντικείμενο πλέγματος) επιτρέπει τη δημιουργία οπτικών απευθείας μέσα στην ίδια ροή εργασίας που χρησιμοποιείται για την FDTD. Η ίδια προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία και τη μελέτη μικροφακών, συγκεντρωτών, διαθλαστικών οπτικών στοιχείων, δομών διαμόρφωσης της οπτικής wavefront ή εισαγόμενων γεωμετριών CAD για ρεαλιστικές συσκευές.