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偏振相關(guān)介質(zhì)的種類

在OpticStudio中有多種可以改變輸入光偏振態(tài)的方法。這些方法引入了偏振相關(guān)的表面或材料。下面我們來(lái)介紹三種方法并描述它們?cè)谕ǔＧ闆r下的應(yīng)用場(chǎng)景。

1、瓊斯矩陣 

瓊斯矩陣表面是一個(gè)理想的面型并且默認(rèn)輸入光為垂直入射。該表面使用2x2矩陣表示瓊斯向量（用來(lái)描述電場(chǎng)）如下式所示： 

其中A, B, C, D, Ex和Ey均為復(fù)值。該矩陣可以通過(guò)二維向量描述三維電場(chǎng)但前提假設(shè)是默認(rèn)其傳播方向與Z軸重合。因此，電場(chǎng)分量只在XY平面。如果光線確實(shí)沿Z軸準(zhǔn)直入射系統(tǒng)，則該表面可以提供理想的分析結(jié)果，并描述出P和S偏振態(tài)的變化及透過(guò)率的變化。

OpticStudio也允許在斜入射的情況下使用瓊斯矩陣表面，但這種情況下該分析功能只能提供近似結(jié)果。并且矩陣無(wú)法考慮電場(chǎng)在Z方向上的分量產(chǎn)生的影響，即雙折射現(xiàn)象或菲涅爾效應(yīng)等。

如果使用瓊斯矩陣來(lái)模擬光延遲器件，則入射光必須垂直于該表面。如果您需要準(zhǔn)確計(jì)算離軸的相位變化，您需要使用雙折射輸入 (Birefringent In) 和雙折射輸出 (Birefringent Out) 表面。

瓊斯矩陣可以較好的模擬離軸入射下的起偏器。表面將允許電場(chǎng)在Z方向上傳輸，并可以像電場(chǎng)X分量和Y分量一樣進(jìn)行模擬。在模擬結(jié)果中和向量K平行的分量將被減去，因此電場(chǎng)保持與向量K垂直。如果需要生成一個(gè)表面可以改變Ez分量，您可以使用光學(xué)鍍膜。

2、光學(xué)表面鍍膜

OpticStudio允許用戶定義實(shí)際鍍膜或理想鍍膜并將這些應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)上。同時(shí)OpticStudio的鍍膜數(shù)據(jù)庫(kù)包含了大量常用的膜層數(shù)據(jù)。雖然鍍膜可以用于多種不同的應(yīng)用環(huán)境，但本文將只關(guān)注鍍膜對(duì)光線偏振態(tài)的影響。

在討論鍍膜的影響之前，我們必須考慮到電場(chǎng)的強(qiáng)度和偏振態(tài)是由向量表示的：

其中Ex, Ey, Ez均為復(fù)值。電場(chǎng)向量E必須垂直于光線傳播的方向向量。在兩種介質(zhì)的邊界處，透過(guò)率、反射率和電場(chǎng)的相位在P分量和S分量上各不相同。電場(chǎng)的S分量為E在與入射平面垂直的光軸方向上的分量，P分量為E在入射平面上的分量。入射平面包含光線傳播向量和表面在入射點(diǎn)處的法向量。需要注意的是：光線在垂直表面入射時(shí)，該定義方式會(huì)變得模糊。

因此我們可以看出，P和S偏振態(tài)的定義與表面相關(guān)。如果在表面上添加了鍍膜，則光線透過(guò)的比例會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置中偏振的參考方式不同而顯著變化。

舉例來(lái)說(shuō)，有限距離內(nèi)的物點(diǎn)發(fā)出的光穿過(guò)一個(gè)鍍膜的平面，該平面鍍膜只允許P光通過(guò)。該物點(diǎn)發(fā)出的光線具有初始偏振態(tài)Jx=0，Jy=1。當(dāng)參考軸在X或Y軸中變化時(shí)，P光和S光的透過(guò)率發(fā)生顯著變化。這是因?yàn)檩斎氲钠駪B(tài)Jx和Jy在表面上分別平行于全局X軸和全局Y軸。

然而當(dāng)參考于Z軸時(shí)，Jx和Jy跟隨全局Z軸旋轉(zhuǎn)變化，因此偏振態(tài)沒(méi)有改變。

因此，在使用鍍膜改變光的偏振時(shí)，您需要注意輸入光參考軸的定義方式。

如您想進(jìn)行驗(yàn)證，您可以使用Ideal2或表格鍍膜(Table Coating)格式文件，對(duì)P光和S光自定義透過(guò)率的實(shí)部和虛部。這些格式的鍍膜數(shù)據(jù)可以非常有效的模擬理想偏振器。此外，您還可以使用優(yōu)化操作數(shù)CODA針對(duì)特定偏振數(shù)據(jù)對(duì)鍍膜進(jìn)行優(yōu)化。

3、雙折射輸入/輸出

在OpticStudio中模擬雙折射材料的方法于瓊斯矩陣和表面鍍膜不同。如果想要在序列模式下定義雙折射元件，您必須在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中定義兩個(gè)表面，即雙折射輸入表面和雙折射輸出表面。在這兩個(gè)表面定義的邊界之內(nèi)，OpticStudio會(huì)使用兩種材料，一種以雙折射材料的尋常折射率來(lái)定義，另一種以非尋常折射率定義。OpticStudio會(huì)使用雙折射輸入面型中定義的材料折射率來(lái)定義尋常折射率。隨后OpticStudio會(huì)在材料名后添加“-E”并在當(dāng)前加載的材料庫(kù)中尋找該材料，其折射率會(huì)用于定義非尋常折射率。

相比瓊斯矩陣，該種方法允許用戶計(jì)算菲涅爾系數(shù)和材料吸收以得到更加的透過(guò)率結(jié)果。用戶可以選擇單獨(dú)追跡尋常光和非尋常光或只追跡其中一種并考慮另一種對(duì)相位的影響。該計(jì)算類型是通過(guò)雙折射輸入/輸出中的模式 (Mode Flag) 參數(shù)來(lái)控制。使用雙折射輸入/輸出表面模擬雙折射現(xiàn)象的限制是它不考慮光線分裂。如果您需要考慮光線分裂，請(qǐng)將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到非序列模式中。