如何模拟双折射偏振器件-zemax.pdf

如何模拟双折射偏振器件-zemax 概述 这篇文章介绍了什么是双折射现象、如何在OpticStudio 中模拟双折射 (birefringence)、如何模拟双晶体的双折射偏振器以及如何计算偏振器的消光比。 本文的示例文件请从以下链接下载： /support/knowledgebase/Knowledgebase-Attachment s/How-To-Design-Birefringent-Polarizers/designing.aspx 什么是双折射现象 一般的光学材料都是均匀的各向同性的，也就是说无论光从哪个方向穿过材 料，其折射率都保持一致。对于单轴材料来说，例如方解石 (Calcite)，其晶轴定 义了材料的对称轴。这类材料对光线的偏折能力随入射光的偏振态及入射光与晶 轴的夹角不同而不同。因此对于任意一束光，两个正交的偏振态下可能存在不同 的折射角。这种现象称为光的双折射。 光线在双折射材料中的折射总是遵循斯涅耳定律 (Snell`s Law) 的，但是材料 中的有效折射率与入射光的偏振态和入射方向与晶轴夹角相关。其中“寻常光 (Ordinary)”的折射角由下式定义： 其中no 为寻常光的折射率，这是斯涅耳定律的一般形式。“非寻常光 (Extraordinary)”的折射角由下式定义： 该式同样遵循斯涅耳定律，但是此时的折射率是角度θw 的函数，该角度表 示晶轴向量a 和折射光波矢k 的夹角。 光线向量S 指向能量传播方向。在普通材料中，光线向量S 与波矢k 为同一 向量，此时我们使用k 表示。但在双折射材料中，光线向量S 与波矢k 的方向存 在较小的夹角，因此需要单独考虑。其中向量S 和k 与晶轴向量a 共面且满足： 非寻常光的有效折射率由下式定义： 其中ne 为非寻常折射率。 双折射输入面 准确的进行双折射光线的追迹要比追迹普通光线复杂的多：我们必须分别考 虑寻常光和非寻常光的折射率和波矢方向。因此双折射光线追迹功能只在光线入 射到双折射输入 (Birefringent-In) 表面时开始执行，在双折射输出 (Birefringent-Out) 表面结束。并且在双折射输入和双折射输出表面之间只允许存 在坐标间断 (Coordinate Break) 表面。 在寻常光追迹中，光线向量S 和波矢k 的方向一致，因此OpticStudio 使用寻 常光的波矢k 的分量来定义光线的方向余弦。 在非寻常光追迹中，k、S 和晶轴向量a 处于同一平面但不重合，因此使用S 的分量定义光线的方向余弦。 以下为模拟一块方解石晶体双折射的示例，其中虚线表示晶轴： 入射光线入射到方解石晶体上并分裂为两个方向的光线。其中寻常光线产生 正常的折射，由于入射表面为平面，因此光线没有发生偏折。非寻常光线则产生 双折射，因此即便光线正入射平面也产生了偏折。 下图为OpticStudio 中有关双折射晶体的设置： 光线在入射到双折射输入面之前都是按照正常情况进行光线追迹。双折射输 入表面与标准表面一样 （可定义为圆锥面），此时材料使用的是CALCITE， OpticStudio 将使用该材料折射率进行寻常光光线追迹。OpticStudio 将在相同的材 料库中寻找材料名为CALCITE-E 的材料，并使用该材料折射率进行非寻常光光线 追迹。通过使用两种实际材料，追迹过程可以考虑材料的所有属性 （透过率、色 散和热膨胀属性等）。 晶轴方向与表面法向量的夹角在双折射输入表面中定义： 在双折射输入面的局部坐标系下直接输入晶轴的方向余弦。其中参数“显示 轴线 (Draw Axis)”用来定义布局图中表示晶轴的虚线的长度 （透镜单位）。如果 您不想显示晶轴则设置该参数为零即可。 您可能会对布局图中的结果存在一些疑问：光线因双折射而分裂为寻常光和 非寻常光两个分量，但是在序列模式下光线是无法产生分裂的（这意味着输入一 条光线时输出也是一条光线）。实际上OpticStudio 执行了两次光线追迹分别追 迹两种情况，并使用模式参数 (Mode Flag) 来决定当前光线追迹的类型： 1、如果模式参数为0，则将追迹寻常光线 2、如果模式参数为1，则将追迹非寻常光线 上文中显示的布局图同时显示了多重结构下模式参数为0 和模式参数为1 的 结构： 双折射偏振器件 模拟双折射偏振器件通常需要使用两块双折射材料，并且材料的晶轴方向存 在一定夹角。例如洛匈偏振器 (