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双折射晶体偏振干涉效应
时间:2023-11-13 12:50来源:讯技光电作者: 技术部点击:打印
简介
 
本文的目的是介绍FRED的材料性质方面一些高级的设定,这些设定共分成以下几个部份。
双折射晶体和偏振光干涉
光源偏振设置
双折射材料方向和其他设定
干涉结果和光线性质查看
渐变折射率(GRIN)材料
脚本设置渐变折射率材料
定性模拟结果
 
双折射晶体和偏振光干涉
 
偏振光干涉现象在实际中有很多应用,这里要模拟的是一种典型的双折射干涉实验,设置如下图所示:左侧是偏振光源,偏振方向是在xy平面且与x轴夹角45度,所有光线的反向延长线指向一点。接下来光线经过方解石平板,厚2mm,光轴方向沿z 轴。然后光线通过偏振片,偏振片方向与光源方向垂直(xy 平面,与x 夹角-45度),偏振片是通过设置偏振镀膜来实现的。最右边是接收分析面,光线在这里停止,用来计算光强。
 
图1. 系统设置
 
下面设置双折射材料。在材料文件夹下右击,选择新建材料(create a new material),选择类型为取样双折射材料或旋光性物质(sampled birefringent and/or optically active material),波长设置为0.5875618,o光和e光的折射率分别设为1.66 和 1.49,光轴方向设置为z轴(0,0,1)。
 
图2. 双折射材料
 
偏振片是通过偏振镀膜来实现的,如下新建偏振镀膜。右击镀膜文件夹,新建镀膜,类型选择偏振/波片镀膜琼斯矩阵(Polarizer/Waveplate Coating jones matrix),然后默认的就是沿x轴偏振镀膜。
 
 
图3. 偏振镀膜
 
右击光源文件夹并选择新建详细光源。命名为Diverging beam,光源的类型选择为六边形平面,方向选择从某点发出,并且把这一点选在z轴负轴的某一点(0,0,-20)。设置光源设为相干光,在偏振(polarization)选项卡里设置光源偏振类型和方向为线性偏振,方向为x轴方向(下面通过把光源沿z轴选择-45度来调整偏振方向,当然也可以在这里设置偏振方向为某一个特定点方向,但是用前一种方法在需要改变光源偏振方向时会更方便一些)。然后设置光源位置和旋转,将光源位置设置在(0,0,-3),沿z轴选择-45度。
 
 
图4. 光源方向

图5. 光源相干性设置

图6. 光源偏振设置
 
图7. 光源位置和旋转
 
在几何结构文件夹(geomertry)下右击,选择新建透镜(lens)。如下如设置半径10,厚度2,双面曲率为0,在原点处,并且把方解石材料的套用在该透镜上。如下图所示。
 
图8. 新建方解石平板
 
在几何结构文件夹下(geometry)下右击,新建基本元件(create element primitive),平面(plane),半长宽分别是10单位,旋转 -45度,向z轴负方向平移5个单位。把偏振镀膜套用在偏振片上。
 
 
图9. 新建偏振片
 
同样步骤建立接收面,半长宽分别12,位置在(0,0,10)处。
 
图10. 接收面
 
设立分析面,并且套用在接收面上。这里分析面对尺寸设置为可以自动匹配到数据范围。
 
图11. 分析面
 
到这里设置已经完毕,整个系统看起来像下图的样子,也可以到 Edit/Edit View Multiple Surfaces 下查看各个表面的材料,镀膜,光线控制等性质。
 
图12. 整体系统
 
图13. 各个表面性质
 
现在定性讨论一下干涉的效果。因为光源与偏振片的偏振方向垂直,所以只有偏振方向改变的光线能够通过。光线通过单轴晶体时,分为o光(ordinary)和e光(extraordinary),其中o光电场分量与主平面(光线与光轴组成的平面)垂直,e光电场分量与主平面平行,在晶体内o光和e光的速度一般会不同(与光轴和光线方向有关),即等效折射率不同,所以两种光分开一个很小的角度,而且传播同样距离会有一个相位差。由于o光e光偏振角度不同,并不能直接相干,但是两种光投影在偏振片上的分量是满足相干条件的。两种光的相位差是随着倾斜角度变化的,所以随着倾角的变化会出现明暗交替的环。
对于同一个倾角的光线,不同方位角的光线投影在单轴晶体上的的o光和e光分量大小不同,这些o光和e光投影在偏振片上分量也随着方位角而变化,所以可以设想同一环上的光强也会随着方位角而周期性变化。实际上,会在相干环上出现一个暗的十字刷。
下面追迹光线并且查看能量分布,如下图所示。
这里改变了绘图样式和颜色级别,可以通过右击图表,选择change color level 来设置。
 
图14. 光线追迹效果
 
在 Analysis/Polarization Spot Diagram (Ctrl+Shift+L) 里查看分析面上的光线偏振情况,应该都是方向为-45度的线偏光,如下图所示。也可以将接收面移动到偏振片之前,将接受面沿z轴的偏移量从10 单位长度调整到3,查看一下这里光线的偏振情况。可以看到o光和e光在同一倾斜角,不同方位角时分量会不同。
 
图15. 分析面上光线的偏振情况
 
图16. 偏振片前光线的偏振情况
 
下面考虑将偏振片旋转一定角度后干涉结果会如何变化,如下图,将偏振片绕z轴旋转 -80度。
 
图17. 将偏振片旋转一定角度
 
图18. 旋转偏振片后的干涉情况
 
偏振干涉的干涉图样是千变万化的,现在调整光轴方向倾斜一个小的角度,观察会出现什么结果。
晶体的光轴或者渐变折射率材料(GRIN)的方向可以在 Tools -> edit/view GRIN/Birefrigent Material position/orientation (查看调整渐变折射率材料/双折射材料位置方向)中调整,分别选者材料和元件,调整位置或角度,如下图所示。
 
图19. 调整双轴晶体晶轴方向
 
图20. 光轴沿线x轴旋转3度后的干涉图样
从上图可以看出,倾斜光轴只是相当于平移了干涉图样。
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