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如何在 OpticStudio 中定義金屬材料

概述

這篇文章介紹了如何在 OpticStudio 中添加金屬材料，并將它們應(yīng)用在序列模式表面或非序列物體表面上。

介紹

在 OpticStudio 中有兩種定義材料的方式：

1、使用材料庫 (Materials Catalog)

2、使用鍍膜文件 (Coating File)

材料可以在材料庫或鍍膜文件中進(jìn)行定義，但對(duì)于定義金屬材料來說，最簡(jiǎn)單的方法是用鍍膜文件進(jìn)行定義。光線在金屬表面發(fā)生的交互作用絕大多數(shù)只發(fā)生在表面以下幾微米的深度內(nèi)，因此在這樣的深度下使用鍍膜來模擬一個(gè)金屬薄層是非常有效的方法。

這篇文章講述了如何在 OpticStudio 的膜層文件中定義一種新的金屬材料，以及如何將這種材料應(yīng)用到任意相關(guān)物體的相關(guān)表面。

定義金屬膜層

對(duì)于像玻璃這樣的介質(zhì)材料，介質(zhì)的折射率只由實(shí)部組成，其虛部為零。然而對(duì)于金屬來說，其折射率為復(fù)數(shù)。OpticStudio 使用下式描述金屬的復(fù)折射率：

其中，n 為折射率；k 為消光系數(shù) (extinction coefficient)。在 OpticStudio 中，當(dāng)消光系數(shù) k 為負(fù)數(shù)時(shí)表示吸收材料。舉例來說，在 OpticStudio 中鋁材料的折射率可由下式近似表示：

OpticStudio 使用文本文件定義所有的膜層數(shù)據(jù)。同時(shí)，OpticStudio 還提供了膜層數(shù)據(jù)的示例文件，該文件位于 Zemax 根目錄下的 Coatings 文件夾中，在定義新透鏡時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)使用該膜層文件。您可以定義多個(gè)膜層文件并將它們保存在相同的路徑下，然而同一時(shí)刻只能使用一個(gè)膜層文件。所使用的文件名稱可在系統(tǒng)選項(xiàng) (System Explorer) 中的文件 (File) 菜單中選擇。當(dāng)您對(duì)COATING.DAT文件進(jìn)行了修改后，我們強(qiáng)烈建議您將文件另存為一個(gè)新的名稱，這樣在后續(xù)OpticStudio版本更新對(duì)COATING.DAT文件進(jìn)行覆蓋時(shí)不會(huì)影響到您的膜層文件。

在膜層文件中，有許多關(guān)鍵詞用來定義不同類型的膜層文件，這包括：
MATE （用來定義材料）

TAPR （用來定義漸厚膜層）

COAT （用來定義鍍膜）

TABLE （使用數(shù)據(jù)點(diǎn)表格定義膜層）

IDEAL （用來定義理想膜層）

IDEAL2 （用來定義第二類理想膜層）

所有用于定義材料和漸厚膜層的關(guān)鍵詞都位于起始定義行，膜層數(shù)據(jù)跟隨在定義行之后。

如果想創(chuàng)建一種新的材料，則必須先使用 MATE 關(guān)鍵詞，MATE 關(guān)鍵詞的語法如下所示：

其中，波長(zhǎng) (wavelength) 總是以微米為單位的，并且當(dāng)存在多個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)時(shí)所有數(shù)據(jù)行必須以波長(zhǎng)的升序進(jìn)行排列；實(shí)部 (real) 為材料在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下的折射率；虛部 (imaginary) 為消光系數(shù)。

以下為默認(rèn)膜層文件 COATING.DAT 中的兩個(gè)示例：

在 MATE 數(shù)據(jù)部分中定義的材料可以在 COAT 數(shù)據(jù)部分引用。非理想的 COAT 膜層數(shù)據(jù)部分的語法如下所示：

當(dāng)膜層文件第一次被讀取時(shí)，OpticStudio 將檢查每個(gè)膜層數(shù)據(jù)中包含的材料是否已經(jīng)在材料數(shù)據(jù)部分中定義。如果所引用的材料沒有被定義，則會(huì)提示錯(cuò)誤。

膜層的厚度可以是介質(zhì)中相對(duì)于主波長(zhǎng)的厚度，也可以是以微米為單位的絕對(duì)厚度。如果使用相對(duì)厚度，則膜層厚度由下式定義：

其中 λ0 為以微米為單位的主波長(zhǎng)值；n0 為膜層在主波長(zhǎng)下折射率的實(shí)部；T為膜層文件中定義的膜層光學(xué)厚度。如果 “is_absolute” 標(biāo)識(shí)為0，則厚度為相對(duì)厚度；否則厚度為以微米為單位的絕對(duì)厚度。

參數(shù) “l(fā)oop_index” 是用來復(fù)制膜層的速記語法。如需使用該參數(shù)，請(qǐng)閱讀幫助系統(tǒng) “Defining replicated groups of coating layers” 中的內(nèi)容。

如果定義行中沒有 “is_absolute”、“l(fā)oop_index”、“tapername” 這些參數(shù)，則 OpticStudio 將默認(rèn)其為零。

綜上，如果想添加一層厚度以波長(zhǎng)為單位的膜層，其語法如下所示：

以下為默認(rèn)膜層文件中的示例：

編輯膜層文件

您可以點(diǎn)擊數(shù)據(jù)庫選項(xiàng)卡 (Library Tab) > 膜層工具 (Coatings Tools) > 編輯膜層文件 (Edit Coating File) 打開膜層文件：

點(diǎn)擊確定將膜層文件保存一個(gè)新的文件名：

將文件以 “COATING_Edited.DAT” 為名保存在Zemax根目錄下的 Coatings 文件夾中。另存為之后系統(tǒng)會(huì)提示在修改文件后重新加載鍍膜文件以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確：

隨后，膜層文件將以文本文件的格式在 OpticStudio 的 UI界面中打開：

首先，使用關(guān)鍵詞 MATE 在材料數(shù)據(jù)部分定義材料，以下為建立新材料的示例：

使用關(guān)鍵詞 COAT 在膜層數(shù)據(jù)部分定義膜層。需要注意的是，在定義 COAT 膜層數(shù)據(jù)之前必須先定義 MATE 材料數(shù)據(jù)。

當(dāng)您完成了新材料定義后，點(diǎn)擊保存將更改保存在 COATING_Edited.DAT 文件中。在系統(tǒng)選項(xiàng)中的文件菜單中選擇新的膜層文件并加載到系統(tǒng)中：

如果想在序列模式表面上使用該膜層文件，點(diǎn)擊透鏡編輯器中該表面的表面屬性，在膜層標(biāo)簽下的膜層文件下拉菜單中選擇相應(yīng)的膜層：

如果想在非序列物體上使用這種材料，點(diǎn)擊非序列元件編輯器中的物體屬性，在膜層/散射 (Coat/Scatter) 選項(xiàng)卡下選擇相應(yīng)的膜層文件。該膜層可以應(yīng)用在物體的不同表面上。

非序列模式使用注意

如果想在非序列模式下查看膜層帶來的影響，在光線追跡以及其他分析時(shí)需要在設(shè)置中勾選“使用偏振 (Use Polarization)”選項(xiàng)。如果您需要同時(shí)追跡和分析反射及透射光線，則您還需要勾選“NSC 光線分裂 (Split NSC Ray)”選項(xiàng)。

舉例來說，在 NSC 布局圖中您需要勾選“使用偏振”和“NSC 光線分裂”兩個(gè)選項(xiàng)以正確顯示反射及透射光線。

小結(jié)

這篇文章介紹了在 OpticStudio 中使用膜層文件定義金屬材料和膜層的詳細(xì)步驟。