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      雙折射晶體偏振干涉效應
      時(shí)間:2023-11-13 12:50來(lái)源:訊技光電作者: 技術(shù)部點(diǎn)擊:次打印
      簡(jiǎn)介
       
      本文的目的是介紹FRED的材料性質(zhì)方面一些高級的設定,這些設定共分成以下幾個(gè)部份。
      雙折射晶體和偏振光干涉
      光源偏振設置
      雙折射材料方向和其他設定
      干涉結果和光線(xiàn)性質(zhì)查看
      漸變折射率(GRIN)材料
      腳本設置漸變折射率材料
      定性模擬結果
       
      雙折射晶體和偏振光干涉
       
      偏振光干涉現象在實(shí)際中有很多應用,這里要模擬的是一種典型的雙折射干涉實(shí)驗,設置如下圖所示:左側是偏振光源,偏振方向是在xy平面且與x軸夾角45度,所有光線(xiàn)的反向延長(cháng)線(xiàn)指向一點(diǎn)。接下來(lái)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)方解石平板,厚2mm,光軸方向沿z 軸。然后光線(xiàn)通過(guò)偏振片,偏振片方向與光源方向垂直(xy 平面,與x 夾角-45度),偏振片是通過(guò)設置偏振鍍膜來(lái)實(shí)現的。最右邊是接收分析面,光線(xiàn)在這里停止,用來(lái)計算光強。
       
      圖1. 系統設置
       
      下面設置雙折射材料。在材料文件夾下右擊,選擇新建材料(create a new material),選擇類(lèi)型為取樣雙折射材料或旋光性物質(zhì)(sampled birefringent and/or optically active material),波長(cháng)設置為0.5875618,o光和e光的折射率分別設為1.66 和 1.49,光軸方向設置為z軸(0,0,1)。
       
      圖2. 雙折射材料
       
      偏振片是通過(guò)偏振鍍膜來(lái)實(shí)現的,如下新建偏振鍍膜。右擊鍍膜文件夾,新建鍍膜,類(lèi)型選擇偏振/波片鍍膜瓊斯矩陣(Polarizer/Waveplate Coating jones matrix),然后默認的就是沿x軸偏振鍍膜。
       
       
      圖3. 偏振鍍膜
       
      右擊光源文件夾并選擇新建詳細光源。命名為Diverging beam,光源的類(lèi)型選擇為六邊形平面,方向選擇從某點(diǎn)發(fā)出,并且把這一點(diǎn)選在z軸負軸的某一點(diǎn)(0,0,-20)。設置光源設為相干光,在偏振(polarization)選項卡里設置光源偏振類(lèi)型和方向為線(xiàn)性偏振,方向為x軸方向(下面通過(guò)把光源沿z軸選擇-45度來(lái)調整偏振方向,當然也可以在這里設置偏振方向為某一個(gè)特定點(diǎn)方向,但是用前一種方法在需要改變光源偏振方向時(shí)會(huì )更方便一些)。然后設置光源位置和旋轉,將光源位置設置在(0,0,-3),沿z軸選擇-45度。
       
       
      圖4. 光源方向

      圖5. 光源相干性設置

      圖6. 光源偏振設置
       
      圖7. 光源位置和旋轉
       
      在幾何結構文件夾(geomertry)下右擊,選擇新建透鏡(lens)。如下如設置半徑10,厚度2,雙面曲率為0,在原點(diǎn)處,并且把方解石材料的套用在該透鏡上。如下圖所示。
       
      圖8. 新建方解石平板
       
      在幾何結構文件夾下(geometry)下右擊,新建基本元件(create element primitive),平面(plane),半長(cháng)寬分別是10單位,旋轉 -45度,向z軸負方向平移5個(gè)單位。把偏振鍍膜套用在偏振片上。
       
       
      圖9. 新建偏振片
       
      同樣步驟建立接收面,半長(cháng)寬分別12,位置在(0,0,10)處。
       
      圖10. 接收面
       
      設立分析面,并且套用在接收面上。這里分析面對尺寸設置為可以自動(dòng)匹配到數據范圍。
       
      圖11. 分析面
       
      到這里設置已經(jīng)完畢,整個(gè)系統看起來(lái)像下圖的樣子,也可以到 Edit/Edit View Multiple Surfaces 下查看各個(gè)表面的材料,鍍膜,光線(xiàn)控制等性質(zhì)。
       
      圖12. 整體系統
       
      圖13. 各個(gè)表面性質(zhì)
       
      現在定性討論一下干涉的效果。因為光源與偏振片的偏振方向垂直,所以只有偏振方向改變的光線(xiàn)能夠通過(guò)。光線(xiàn)通過(guò)單軸晶體時(shí),分為o光(ordinary)和e光(extraordinary),其中o光電場(chǎng)分量與主平面(光線(xiàn)與光軸組成的平面)垂直,e光電場(chǎng)分量與主平面平行,在晶體內o光和e光的速度一般會(huì )不同(與光軸和光線(xiàn)方向有關(guān)),即等效折射率不同,所以?xún)煞N光分開(kāi)一個(gè)很小的角度,而且傳播同樣距離會(huì )有一個(gè)相位差。由于o光e光偏振角度不同,并不能直接相干,但是兩種光投影在偏振片上的分量是滿(mǎn)足相干條件的。兩種光的相位差是隨著(zhù)傾斜角度變化的,所以隨著(zhù)傾角的變化會(huì )出現明暗交替的環(huán)。
      對于同一個(gè)傾角的光線(xiàn),不同方位角的光線(xiàn)投影在單軸晶體上的的o光和e光分量大小不同,這些o光和e光投影在偏振片上分量也隨著(zhù)方位角而變化,所以可以設想同一環(huán)上的光強也會(huì )隨著(zhù)方位角而周期性變化。實(shí)際上,會(huì )在相干環(huán)上出現一個(gè)暗的十字刷。
      下面追跡光線(xiàn)并且查看能量分布,如下圖所示。
      這里改變了繪圖樣式和顏色級別,可以通過(guò)右擊圖表,選擇change color level 來(lái)設置。
       
      圖14. 光線(xiàn)追跡效果
       
      在 Analysis/Polarization Spot Diagram (Ctrl+Shift+L) 里查看分析面上的光線(xiàn)偏振情況,應該都是方向為-45度的線(xiàn)偏光,如下圖所示。也可以將接收面移動(dòng)到偏振片之前,將接受面沿z軸的偏移量從10 單位長(cháng)度調整到3,查看一下這里光線(xiàn)的偏振情況�?梢钥吹給光和e光在同一傾斜角,不同方位角時(shí)分量會(huì )不同。
       
      圖15. 分析面上光線(xiàn)的偏振情況
       
      圖16. 偏振片前光線(xiàn)的偏振情況
       
      下面考慮將偏振片旋轉一定角度后干涉結果會(huì )如何變化,如下圖,將偏振片繞z軸旋轉 -80度。
       
      圖17. 將偏振片旋轉一定角度
       
      圖18. 旋轉偏振片后的干涉情況
       
      偏振干涉的干涉圖樣是千變萬(wàn)化的,現在調整光軸方向傾斜一個(gè)小的角度,觀(guān)察會(huì )出現什么結果。
      晶體的光軸或者漸變折射率材料(GRIN)的方向可以在 Tools -> edit/view GRIN/Birefrigent Material position/orientation (查看調整漸變折射率材料/雙折射材料位置方向)中調整,分別選者材料和元件,調整位置或角度,如下圖所示。
       
      圖19. 調整雙軸晶體晶軸方向
       
      圖20. 光軸沿線(xiàn)x軸旋轉3度后的干涉圖樣
      從上圖可以看出,傾斜光軸只是相當于平移了干涉圖樣。
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