用 ZOS-API 在 Zemax 非序列模式里仿真马赫–曾德尔干涉条纹

Zemax OpticStudio 的非序列（non-sequential，NSC）模式可以做相干光线追迹，算出真实的干涉条纹。本文以马赫–曾德尔（Mach–Zehnder，MZ）干涉仪为例，用 Python 通过 ZOS-API 搭模型、追迹、读出条纹，并和解析公式对照。

1. 光路#

光轴沿 $+Z$，干涉仪在 $Y$–$Z$ 平面内成方形回路：准直光经 BS1 分成两束，一束经 M1（上臂），一束经 M2（下臂），在 BS2 重新合束，由探测器接收。

Zemax 导出的 3D Layout（SplitNSCRays = True 才会画出分光后的两条臂）：

2. 解析参考#

两束等频率、偏振一致的平面波干涉，探测器上的强度

$$I = \frac{I_0}{2}\Big[\,1 + V\cos\!\Big(\frac{2\pi\,\Delta}{\lambda}\Big)\Big], \qquad V = \frac{2\sqrt{I_1 I_2}}{I_1 + I_2},$$

$\Delta$ 是两臂光程差，$V$ 是条纹可见度（两臂强度相等时 $V = 1$）。

如果一面镜子微倾 $\varepsilon$，反射光方向改变 $2\varepsilon$，两束平面波之间有夹角 $\gamma = 2\varepsilon$，探测器上出现直条纹，周期

$$\Lambda = \frac{\lambda}{2\sin(\gamma/2)} \approx \frac{\lambda}{2\varepsilon}.$$

本例 $\lambda = 632.8\,\mathrm{nm}$（He-Ne），$\varepsilon = 0.005^\circ = 8.7\times10^{-5}\,\mathrm{rad}$，得到 $\Lambda = 3.63\,\mathrm{mm}$。光束宽 16 mm，所以预期约 4.4 条条纹。Zemax 里实际仿真约 5 条，可见度接近 100%，与这个估计一致。

条纹方向（按几何推断，以你的探测器坐标为准）：镜子绕 $X$ 轴倾斜，光束方向的改变发生在 $Y$–$Z$ 平面内，所以探测器上条纹沿 $y$ 方向周期变化，条纹本身平行于 $x$ 轴。

3. 三个必须做对的地方#

三点缺一不可，只要有一处不对，探测器上就是均匀一片。

（1）光源：准直、填满孔径的 Source Rectangle。

• Source Distance = 0（准直平行光），采样用 Sobol，偏振固定（RandomPolarization = False，Jx = 1）。
• 两臂是整体重叠的平面波，倾斜镜子才会产生夹角、形成条纹。
• 点光源或窄高斯光源做不出条纹：倾斜镜子只会把两个光斑平移开，几乎不重叠。

（2）分束镜：必须是带材料的玻璃实体，不能是裸面。

• 裸面不能镀膜。用 RectangularVolume（薄玻璃板）加 N-BK7 材料，前表面镀 I.50（理想 50/50），后表面镀 AR；按 GetFaceData(f).FaceName 区分 Front / Back。
• 不要用镀膜库里名为 BEAMSPLIT 的涂层，那是按波长分光的二向色镜，不是振幅 50/50。

（3）读数：相干辐照度只能用 Detector Viewer 读。

• GetAllDetectorData 读的是探测器累积的非相干数据，没有条纹。
• 要用 New_DetectorViewer()，DataType = CoherentIrradiance；而且设置对象要显式转换到 IAS_DetectorViewer 接口，否则属性设不进去。
• 追迹时要打开光线分裂和偏振：SplitNSCRays = True、UsePolarization = True。

4. 代码#

核心步骤如下（new、place、setp 是脚本里的几个小封装：加对象并改类型、设位置和倾角、按列标题设参数）。

# 1) collimated source filling the aperture
src = new(OT.SourceRectangle, "collimated source"); place(src, 0, 0, 0)
setp("Analysis Rays", 400000, integer=True)
setp("Power", 1.0); setp("X Half Width", 8.0); setp("Y Half Width", 8.0)
setp("Source Distance", 0.0)                             # 0 = collimated
sd = src.SourcesData
sd.RandomPolarization = False; sd.Jx = 1.0; sd.Jy = 0.0
sd.SamplingMethod = SSM.Sobol

# 2) beam splitters: glass solids, front I.50, back AR
bs1 = new(OT.RectangularVolume, "BS1"); place(bs1, 0, 0, L, tx=45)
for k, v in ((1, HALF), (2, HALF), (3, 0.3), (4, HALF), (5, HALF)):
    cell(bs1, k).DoubleValue = v                         # x/y half widths, thickness
bs1.Material = "N-BK7"
csd = bs1.CoatScatterData
for f in range(csd.NumberOfFaces):
    name = csd.GetFaceData(f).FaceName or ""
    csd.GetFaceData(f).Coating = "I.50" if "Front" in name else "AR"

# 3) mirrors; M1 tilted by 0.005 deg
m1 = new(OT.Rectangle, "M1"); place(m1, 0, L, L, tx=45.005); m1.Material = "MIRROR"
m2 = new(OT.Rectangle, "M2"); place(m2, 0, 0, 2 * L, tx=45); m2.Material = "MIRROR"

# 4) trace with ray splitting and polarization
t = TheSystem.Tools.OpenNSCRayTrace()
t.SplitNSCRays = True; t.ScatterNSCRays = False; t.UsePolarization = True
t.ClearDetectors(0); t.RunAndWaitForCompletion(); t.Close()

# 5) read the *coherent* irradiance through Detector Viewer
dv = TheSystem.Analyses.New_DetectorViewer()
s = ZOSAPI.Analysis.Settings.RayTracing.IAS_DetectorViewer(dv.GetSettings())   # explicit cast
s.Surface.SetSurfaceNumber(1); s.Detector.SetDetectorNumber(6)    # the detector is object #6
s.DataType = DVD.CoherentIrradiance
dv.ApplyAndWaitForCompletion()
grid = dv.GetResults().GetDataGrid(0)                    # grid.Z(i, j); NaN outside the pupil

两点说明：

• 非序列对象的参数按列标题查找比按固定列号更稳，所以 setp 先把光源的列标题读出来建一张表。
• 连接方式：用交互扩展（Interactive Extension）时，每次脚本连接都会用掉这一次连接，下次要重新点一次。要多轮脚本自动化，改用 Standalone 模式（CreateNewApplication()）更省事。

5. 排障表#