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本文介绍了如何在 OpticStudio 中建模和设计真实的单色和消色差波片。它将演示如何使用双折射材料,通过构建评价函数来计算相位延迟,并使用 Universal Plot 将相位延迟与波片厚度的关系可视化。(联系我们获取文章附件) G_vWwH4XtL QVLv}w`O 双折射材料和波片 a9]F.Jm .<7M4Z 常用大多数波片利用的是材料的双折射特性。双折射即材料的折射率取决于光的偏振方向和传播方向。双折射材料有很多种类型,然而单轴晶体型材料通常用于波片。单轴晶体有两个相互垂直的固定折射率轴,其中一个是晶体光轴。通常光波由两个偏振分量组成,这两个偏振分量受不同的等效折射率控制。 U l8G R v|fA)Ww 其中快轴平行于晶体光轴的方向 ,慢轴则与快轴正交。 nX~Qt% +a1Or 2[!#Xf 图 1. 双折射材料以及光线路径 这两个方向称为“快轴”和“慢轴”,其折射率值称为寻常光折射率和非寻常光折射率。光沿快轴方向的折射率低,且光沿快轴方向的相速度比其慢轴方向快。 w=Ai?u <LL+\kfTZO 一般来说,完全偏振光可以视为由两个偏振分量组成。两个偏振分量受不同的等效折射率控制。由于材料和偏振特性,入射偏振光在通过材料传播时被分成快轴或慢轴两个偏振分量。 ko<u0SjF)u KmS$CFsGL 在制作波片时,需要将双折射材料被切割成板状,同时要选择切割方向,使晶体光轴平行于板的表面。 #gn{X!;-; j3>0oe! 例如,我们考虑以与快轴成 45 度角入射波片的垂直方向的线偏振光。光波通过波片后,将被分成“快”轴和“慢”轴两个偏振分量。这两个偏振分量以不同的速率进行相位累加,它们之间的相位差称为“相位延迟”, 如图 2 所示。 .TZ0FxW &O8vI,M 这就是双折射波片的基本原理。 )aSj!X'`; >f+qImH :{sy2g/+ 图 2. 双折射半波片中的偏振图像 i!0w? /g9 设计单色四分之一波片 v~E\u {zzc/!| 在设计单色波片之前,理解上述理论十分重要。 pRR1k? Qp>'V<%m- 例如,四分之一波片将在光的两个偏振分量之间引入四分之一波长相位延迟。要设计四分之一波片的话,我们可以使用如下公式来计算平行平板的厚度 t。 K^32nQX *rKj%Me ~-2%^ovB D)shWJRlvW 其中: (<GBhNj=c · m 波片的阶数 03N|@Tu · λ 是波长 p+x}$&<| · t 是双折射平行平板的厚度 +"J2k9E · ne and no 是寻常光的折射率和非常光的折射率 Ln-UN$2~F OpticStudio 的“双折射”材料目录中包含一些常用的双折射材料。要使用该材料目录的话,请在系统选项的“材料目录”选项卡中选择相关目录,如图 3 所示。 lU?8<X eBT+| wFbw3>'a9 图 3: 系统选项中的材料目录选项卡 {ovt
6C 现在,我们以使用 QUARTZ 材料为例,这种材料一般是指结晶的氧化硅,且被称为“晶体”。“快”轴方向在“QUARTZ”材料中定义,“慢”轴方向在“QUARTZ E”材料中定义。同时我们可以在 OpticStudio 的色散图中检查对应折射率。 om_UQgC@r Dh+<|6mx `L~gERW# 图 4. OpticStudio 中的色散图 6&oaxAp<s 此功能提供了折射率与波长的关系列表和图表,如图 5 所示。 Z$*m=]2 8O^< |