模拟透明的轻型管以优化透射率

想象一下在黑暗，沉闷的地铁站下班回家。抓住罕见的自然阳光可以使您的一天变亮，并使骑车回家更容易忍受，但是如何呢？使用轻型管道，自然光可以在否则黑暗的区域分布，而无需任何电力。在这篇博客文章中，我们探讨了这些简单而优雅的设备，并展示如何通过模拟进行更详细的分析。

透明的光管提供自然照明

轻型管，也称为轻型管是用于在不同区域之间运输光线的结构。可以通过从管道侧面有选择地泄漏辐射来照亮大空间。轻型管节省能量并提供自然光，热绝缘和柔韧性。这些类型的管是地下区域中自然光的最佳来源，就像上面示例中提到的地铁站一样。它们在需要限制的监狱和区域中也是理想的选择，但需要窗户和开口风险。

轻型管用于照亮地下区域，例如柏林的Potsdamer Platz火车站。（由Thilk Krech。根据创作共用属性2.0通用许可证，通过Wikimedia Commons）

您可能还会在住宅环境中看到灯管。例如，由于此光源不使用电力，因此它是用于湿区（例如浴室和游泳池）的安全照明方法。一些电子设备甚至使用小型轻型管来照明按钮而不是电力。它们还可以用来帮助那些全年提供自然阳光来帮助患有季节性情感障碍（SAD）的人。

除了将光线运输到难以到达的区域外，轻型管道还可以用于创建均匀的光源或集成几种不同的光源。因为在到达末端之前，通常会在管道内多次反射光，所以无论它如何进入管道，它都倾向于在出口处均匀分布。用于此类目的的结构也称为均质杆。

光管有两种主要类型：

1. 空心管衬有反射涂层
2. 实心透明的光管，通过称为光的现象包含光总内部反思

我们将在此处讨论第二种类型。

通过总内部反射指导光

当完全反映两个不同介质之间的边界的光线达到边界时，就会发生总内部反射。为了使这种现象发生，光必须从更密集的培养基到光学密度较小的介质传播。在这种情况下，“光密度”是指该介质的折射率n，这是真空中的光速与介质中的光速之比。例如，水比空气具有更大的折射率，因此，当水下源到达地面时，可能会发生全部反射。

另外，为了进行全部反思，入射角必须大于临界角度。入射角是传播到表面（入射射线）和正常或垂直于表面的线之间的角度的角度。它由\ theta_i在下图中。

在两个介质之间的边界处发生，反射和折射光线。

同样，折射角是折射射线和正常之间的角度。它由\ theta_t在图中。因为我们假设N_2 ，折射角大于入射角。临界角是折射角等于90°的入射角。随着入射角越来越接近临界角，折射光的强度接近零。对于大于此的角度，不存在折射角的实际值。然后，射线在边界处完全反射，因此发生了总内部反射。

我们可以使用这种现象有效地将光捕获在被空气包围的实心透明管中。如果管的折射率比空气更大，则可以通过全部反射在管中包含光。为了可靠地发生，光只能以大的入射角到达管的外表面，几乎平行于表面。如果光线以小于临界角的入射角到达表面，则会发生折射，某些光将从管壁上泄漏出来，如下图所示。

如果事件射线（蓝色）以很大的入射角到达管壁，则只会产生反射的射线（红色）。如果入射角太小，则还可以释放折射光线（绿色）。

我们可以使用COMSOL多物理模拟软件和RAY OPTICS模块分析透明光管的性能。

使用COMSOL多物理学模拟透明的轻型管

这透明的轻型管教程模拟带有圆形横截面的弯曲光管中的射线传播。该管由固体聚（甲基丙烯酸甲酯）或PMMA制成，这是透明的热塑性材料。

如果光管突然改变方向，则可能有大量的光以小于临界角的入射角到达表面，从而使由于折射而损失大量能量。我们可以通过在管道中一个弯曲的一个弯曲的曲率上进行参数扫描，从而量化光管的形状对其性能的影响。首先，光线在管道的一端释放，并带有圆锥形分布。通过在另一端应用壁节和沉积的射线功率子节点，我们可以通过计算传输功率与源功率的比率来测量光管的传输。

LED源通过弯曲的轻型管中的总内反射对LED来源的均质化。

在以下图中，光线从左端进入管道并向右端传播。当光线撞到第二弯时，通过管壁释放了大量折射光线。第一个弯曲比第二个弯道要逐渐渐进，因此没有折射光线可以逃脱。

透明光管中的射线轨迹。颜色表达式显示了每个折射射线的强度与相应入射射线的强度，其中较大的值表明损失更大。

当曲率半径达到其最大模拟尺寸为20毫米时，管道的透射率约为100％。

在一个管道弯曲之一中，将光的透射率绘制为曲率半径的函数。

我们可以使用该模拟的结果来确定管道弯曲中较大的曲率半径将导致光的更可靠的传播。根据应用的不同，大型管弯半径的好处可能会因将管道装入受限或难以到达的区域而被抵消。通过模拟，我们可以考虑所有这些因素，以优化许多应用中的光管的使用。

自己尝试

• 下载透明轻管教程以及有关如何自己构建的分步说明。