本文介紹了OpticStudio模擬基于偏振的光學(xué)現(xiàn)象的幾種方法。本文的目的是在對基于偏振的光學(xué)進(jìn)行建模時(shí)檢查這些特征的優(yōu)勢和正確應(yīng)用。討論的功能包括偏振光瞳圖、瓊斯矩陣、雙折射、表面涂層等。這些對于波片和隔離器等實(shí)際應(yīng)用很重要。

簡介

為了選擇合適的表面類型，了解您嘗試建模的偏振器的用途很重要。本文將描述設(shè)置極化系統(tǒng)以及上述每個(gè)表面/表面設(shè)置的優(yōu)缺點(diǎn)。

X 軸參考:?P向量由K叉乘X確定，S=P叉乘K（默認(rèn)）；

Y 軸參考:?S向量由Y叉乘K確定，P=K叉乘S；

Z 軸參考:?S向量由K叉乘Z確定，P=K叉乘S。

通常，OpticStudio執(zhí)行與時(shí)間無關(guān)的計(jì)算（即它呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)間快照）。然而，極化瞳孔圖不是這種情況，它在定義的表面上隨著時(shí)間經(jīng)過一個(gè)周期時(shí)在笛卡爾圖上繪制電場矢量 (Ex, Ey) 的端點(diǎn)。這是因?yàn)橄辔浑S時(shí)間的變化決定了偏振橢圓的方向。對于幾乎所有系統(tǒng)，OpticStudio是在時(shí)間上向前還是向后進(jìn)行計(jì)算并不重要，因?yàn)樗僭O(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。默認(rèn)情況下，計(jì)算會在時(shí)間上向前看（即，如果系統(tǒng)要及時(shí)向前推進(jìn)一些小量，則在“將擊中”指定表面的光線的相位）。

此外，用戶應(yīng)注意，在定義Jx和Jy之間的初始相移時(shí)，“X-相位”或“Y-相位”的正值將導(dǎo)致Jx相對于Jy在空間上滯后，反之亦然。例如，定義X-相位=90度和Y-相位=0度將導(dǎo)致電場的Ex分量落后Ey分量90度（見下圖）。

假設(shè) (Jx, Jy) = (0.707,0.707)，產(chǎn)生的偏振橢圓將是順時(shí)針、圓偏振，如偏振光瞳圖所示。

其中A、B、C、D、Ex和Ey都是復(fù)數(shù)（有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱“如何使用瓊斯矩陣表面”）。該矩陣可用于解釋具有2-D矢量的3-D現(xiàn)象，假設(shè)光沿Z軸傳播。因此，電場存在于X-Y平面中。如果射線確實(shí)與系統(tǒng)的Z軸對齊，則該表面可以為S和P狀態(tài)之間的相對相變以及S和P狀態(tài)的傳輸提供理想的模擬。

OpticStudio將允許用戶將瓊斯矩陣表面應(yīng)用于傾斜的入射角，但根據(jù)定義，此配置中的結(jié)果將代表近似值。該計(jì)算未考慮沿z的電場分量矩陣的影響、將光束分裂為普通分量和異常分量（如果對雙折射材料進(jìn)行建模）以及菲涅耳系數(shù)。

描述延遲器的瓊斯矩陣不應(yīng)與傾斜入射角一起使用。要準(zhǔn)確計(jì)算離軸相對相位變化，應(yīng)使用雙折射輸入和雙折射輸出表面。

描述偏振的瓊斯矩陣可以提供一個(gè)不錯(cuò)的離軸近似值。該表面將允許電場在z方向上傳輸，并表現(xiàn)出它們在X和Y電場分量的軸上的表現(xiàn)。然后減去平行于K的電場分量，使電場保持垂直于K。要創(chuàng)建作用于Ez分量的偏振表面，應(yīng)使用鍍膜。

在這種情況下討論鍍膜時(shí)，必須考慮這樣一個(gè)事實(shí)，即電場的振幅和偏振狀態(tài)由向量描述：

其中Ex、Ey、Ez是復(fù)數(shù)。電場矢量E必須與射線矢量的傳播正交。在兩種介質(zhì)之間的邊界處，電場的透射率、反射率和相位對于場的S分量和P分量是不同的。場的S分量是E沿垂直于入射平面的軸的投影，而P分量位于入射平面內(nèi)。入射平面包含射線傳播矢量和截點(diǎn)處的表面法線矢量。注意：根據(jù)S和P分量的這個(gè)定義，當(dāng)光線垂直于表面?zhèn)鞑r(shí)，它們之間的區(qū)別變得模糊。

由此，我們可以看到，當(dāng)偏振光入射到表面時(shí)，S和P偏振態(tài)是相對于該表面定義的。如果該表面涂有涂層，則透射光的部分可能會發(fā)生顯著變化，具體取決于系統(tǒng)管理器中定義的參考方法。

以一個(gè)點(diǎn)物體為例，它位于具有P狀態(tài)通過鍍層的平面前方一定距離處；來自該點(diǎn)的光被定義為具有初始偏振態(tài)Jx=0，Jy=1。使用X或Y軸參考，通過系統(tǒng)傳輸（或阻擋）的S和P偏振光的量在整個(gè)表面上顯著變化。這是因?yàn)樵诒砻嫔系乃腥肷潼c(diǎn)，輸入偏振Jx和Jy分別保持平行于全局X軸和Y軸。

雙折射材料的運(yùn)作方式與OpticStudio內(nèi)部的瓊斯矩陣或鍍膜不同。要在序列模式下定義雙折射組件，用戶必須在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中定義兩個(gè)表面，一個(gè)雙折射輸入表面和一個(gè)雙折射輸出表面。在由這些表面界定的物理空間內(nèi)，OpticStudio需要兩種材料，一種用于模擬常規(guī)折射率，另一種用于模擬雙折射介質(zhì)的非常規(guī)折射率。為此，OpticStudio使用為雙折射輸入表面定義的材料指數(shù)作為常規(guī)指數(shù)。然后將“-E”附加到材料名稱并在當(dāng)前加載的材料目錄中搜索該名稱；具有該名稱的材料用于非常規(guī)折射率。

通過這種定義雙折射介質(zhì)的方法，與瓊斯矩陣表面相比，雙折射輸入/輸出表面允許用戶計(jì)算菲涅耳系數(shù)和吸收，以提供更準(zhǔn)確的強(qiáng)度傳輸計(jì)算。也就是說，用戶可以有選擇地獨(dú)立跟蹤普通光束或異常光束，或者跟蹤一個(gè)同時(shí)考慮由于另一個(gè)引起的相位旋轉(zhuǎn)。這是由模式標(biāo)志控制的，它允許用戶在如何根據(jù)給定系統(tǒng)的普通光束和非常光束之間的角度偏差對雙折射效應(yīng)進(jìn)行建模方面具有更大的靈活性。有關(guān)模式標(biāo)志用途的更多信息，請參見“在“雙折射輸入”表面上選擇模式標(biāo)志有什么作用？。(https://community.zemax.com/got-a-question-7/what-does-selecting-a-mode-flag-on-a-birefringent-in-surface-do-655)

雙折射輸入/輸出表面在模擬雙折射方面的***局限是它們不考慮光線分裂的影響。為了考慮光線分裂，系統(tǒng)應(yīng)該轉(zhuǎn)換為非序列模式。

其中，Δn是普通模式和非常模式之間的折射率差，λ是光的波長，d是晶體的長度，Γ是以弧度為單位的延遲。變量m是一個(gè)自然數(shù)，表示波片的階數(shù)。根據(jù)這個(gè)定義，由于光的2π周期性質(zhì)，相對相位變化不受順序的影響。也就是說，高階波片比低階波片在物理上更厚，它們更容易受到熱膨脹的影響，離軸光束的延遲誤差被放大，如果波長與設(shè)計(jì)值不同，延遲誤差也會被放大 。

實(shí)際情況中，很少有真正的零級波片被生產(chǎn)出來，因?yàn)樗璧木w寬度對于制造來說太薄太脆弱。相反，有效的零級波片是由兩個(gè)較厚的單軸晶體（通常是相同的材料）制成的，它們具有交叉的晶軸。它們不如真正的零級波片有效，但由于它們更容易制造，因此它們在性能和可制造性之間提供了良好的折衷。

要在OpticStudio中構(gòu)建這樣的組件，鏡頭數(shù)據(jù)編輯器應(yīng)如下所示。

光隔離器

光隔離器是只允許光在一個(gè)方向上傳輸?shù)慕M件。此類組件通常會引發(fā)磁光現(xiàn)象，例如法拉第效應(yīng)。盡管OpticStudio目前沒有任何表面可以模擬這種磁光效應(yīng)，但它可以通過瓊斯矩陣表面模擬軸上光隔離器的行為。

隔離器內(nèi)部的光學(xué)材料會根據(jù)傳播方向?qū)θ肷涔馐a(chǎn)生不同的影響。也就是說，對于沿給定方向傳播的線偏振光束，材料會將光束旋轉(zhuǎn)某個(gè)角度 α；當(dāng)沿相反方向行進(jìn)時(shí)，材料會使光束旋轉(zhuǎn)-α。以弧度為單位的旋轉(zhuǎn)角 α 定義為：

其中ν是Verdet 常數(shù)（以弧度每特斯拉米為單位的旋轉(zhuǎn)比例常數(shù)），B是施加到磁光介質(zhì)的磁通密度（特斯拉），d是介質(zhì)的長度（以米為單位）。

在OpticStudio中，可以通過瓊斯矩陣曲面定義旋轉(zhuǎn)角度：