本文介绍了 OpticStudio 模拟基于偏振的
光学现象的几种方法。本文的目的是在对基于偏振的光学进行建模时检查这些特征的优势和正确应用。讨论的功能包括偏振光瞳图、琼斯矩阵、双折射、表面涂层等。这些对于波片和隔离器等实际应用很重要。(联系我们获取文章附件)
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gt9 简介
_y*@Hj B9^@d 偏振效应被用于各个领域的无数
光学系统中。OpticStudio 允许用户指定进入系统的光的输入偏振以及序列模式中的表面与偏振特性交互的设置,提供了对任何应用进行建模的方法。建模偏振相关介质的三种方法是通过琼斯矩阵表面、表面涂层和双折射输入/输出表面。
gBp,p\ Xc v W=$C 为了选择合适的表面类型,了解您尝试建模的偏振器的用途很重要。本文将描述设置极化系统以及上述每个表面/表面设置的优缺点。
&TJMop Vn &*}`uJt 偏振
光源的产生
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' OpticStudio 中的所有偏振分析都需要输入偏振态,通常以琼斯矢量 (Jx, Jy) 的形式给出,其中X和Y的起始相位可选。向 OpticStudio 输入偏振态有两种方式。第一种方法是在单独的分析设置中明确定义初始偏振状态(Jx、Jy和X/Y相位),例如使用偏振
光线跟踪(Polarization Ray Trace)和偏振光瞳图(Polarization Pupil Map)。
_<s[HGA`z a9]F.Jm (8T36pt~ W^#HR 第二种方法是在系统管理器(System Explorer)的“偏振(Polarization)”部分应用偏振状态。通过检查各个分析设置中的“使用偏振(Use Polarization)”设置(或类似设置),在任何适用分析窗口的计算中考虑此处输入的状态。
B( r~Nvc zGzeu)d o81RD#>E) < %@e<,8 Wi7!J[ B 系统管理器中定义的“方法(Method)”(或参考状态)需要将2D琼斯矩阵输入(Jx、Jy)转换为 3D 电场分量(Ex、Ey、Ez)。虽然很容易认为Jx对应于S极化状态的能量量,Jy对应于P极化状态的能量量,但如果没有入射平面,这些定义是不明确的(参见这个论坛以获取更多信息)。也就是说,从光源发射并沿射线矢量K在自由空间中传播的射线需要参考才能准确定义偏振态矢量S和P。在 OpticStudio 中,可以使用以下参考:
ZeM~13[ ;w>Dqem X 轴参考: P向量由K叉乘X确定,S=P叉乘K(默认);
zG-pqE6 Y 轴参考: S向量由Y叉乘K确定,P=K叉乘S;
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Z 轴参考: S向量由K叉乘Z确定,P=K叉乘S。
\ OPJ*/U `#@#eZ 注意:S、P和K(传播方向)始终是正交的。它们分别由下表中的红色、蓝色和绿色向量表示。
s8BfOl- aT|SKb` jB)RvvMU5 WV5z~[ 这种方法允许用户在生成输入极化时能更加灵活。默认表面在z方向具有表面法线,因此经典的S和P定义将限制用户生成Z参考输入偏振。
$d0xJxM BNi6I\wa 偏振光瞳图
?.Iau/ @jh\yj rW 偏振光瞳图可以说是 OpticStudio 中最有用的工具,可以快速查看给定表面上光束的偏振状态。也就是说,它确实有一些细微差别,必须完全理解才能准确解释其结果。
(bhMo^3/* )(b,v/: 通常,OpticStudio 执行与时间无关的计算(即它呈现稳态系统的时间快照)。然而,极化瞳孔图不是这种情况,它在定义的表面上随着时间经过一个周期时在笛卡尔图上绘制电场矢量 (Ex, Ey) 的端点。这是因为相位随时间的变化决定了偏振椭圆的方向。对于几乎所有系统,OpticStudio 是在时间上向前还是向后进行计算并不重要,因为它假设系统处于稳定状态。默认情况下,计算会在时间上向前看(即,如果系统要及时向前推进一些小量,则在“将击中”指定表面的光线的相位)。
PL"u^G` cPaz- 此外,用户应注意,在定义Jx和Jy之间的初始相移时,“X-相位”或“Y-相位”的正值将导致Jx相对于Jy在空间上滞后,反之亦然。例如,定义X-相位=90度和Y-相位=0度将导致电场的Ex分量落后Ey分量90度(见下图)。
MpY/G%3 W5i{W' *<r\:g hA=.${uIO 假设 (Jx, Jy) = (0.707,0.707),产生的偏振椭圆将是顺时针、圆偏振,如偏振光瞳图所示。
;OC~,?O5 CE,0@%6F* 偏振相关介质的类型
`U4e]Qh/+ A-"2 sp*t 在OpticStudio中,有多种方法可以操纵给定光束的偏振态。其中一些方法涉及引入与偏振相关的表面和材料。在这里,我们将介绍三种这样的方法并描述它们在OpticStudio中的一般应用。
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琼斯矩阵(Jones matrix)
j(aok5:e QC\r|RXW 琼斯矩阵表面是为法向入射光设计的理想化构造。它是一个二乘二的矩阵,它根据下式修改琼斯向量(描述电场)
m8}c(GwcP I{nrOb1G( 813t=A \d-H+t] 其中A、B、C、D、Ex和Ey都是复数。该矩阵可用于解释具有2-D矢量的3-D现象,假设光沿Z轴传播。因此,电场存在于X-Y平面中。如果射线确实与系统的Z轴对齐,则该表面可以为S和P状态之间的相对相变以及S和P状态的传输提供理想的模拟。
MS5X#B ?uAq goCl OpticStudio 将允许用户将琼斯矩阵表面应用于倾斜的入射角,但根据定义,此配置中的结果将代表近似值。该计算未考虑沿z的电场分量矩阵的影响、将光束分裂为普通分量和异常分量(如果对双折射材料进行建模)以及菲涅耳系数。
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:xt Mo'6<"x 描述延迟器的琼斯矩阵不应与倾斜入射角一起使用。要准确计算离轴相对相位变化,应使用双折射输入和双折射输出表面。
0*J},#ba$ k2-+3zx 描述偏振的琼斯矩阵可以提供一个不错的离轴近似值。该表面将允许电场在z方向上传输,并表现出它们在X和Y电场分量的轴上的表现。然后减去平行于K的电场分量,使电场保持垂直于K。要创建作用于Ez分量的偏振表面,应使用镀膜。
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c/ F)8M9%g5m 表面镀膜
2^aXXPC yC&u^{~BC OpticStudio 允许用户定义真实和理想化的
薄膜光学镀膜,并将这些镀膜应用于
光学设计中的任何表面。OpticStudio 还包含大量预设的镀膜目录,其中包括各种常用镀膜。但本次讨论将集中于它们如何影响光线的偏振态。
"udA-;!@& DpbprT7_ 在这种情况下讨论镀膜时,必须考虑这样一个事实,即电场的振幅和偏振状态由向量描述:
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