偏振相關(guān)表面的應(yīng)用

在本節(jié)中我們會(huì)用實(shí)例介紹如何在OpticStudio中定義雙折射延遲器和光隔離器。

1、光學(xué)延遲器

光學(xué)延遲器（也稱作波片）可以改變輸入光的偏振態(tài)。本節(jié)中展示了如何構(gòu)建一個(gè)λ/4相位變化的零級(jí)延遲器（也稱作四分之一波片），該器件可以將輸入的線偏光轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏光。該系統(tǒng)中使用了雙折射晶體Quartz和氦氖激光（632.8nm）。

通常情況下，波片引入的延遲可由下式表示：

其中△n表示尋常光和非尋常光的折射率之差，λ表示光的波長(zhǎng)，d表示晶體的長(zhǎng)度，表示弧度表示的相位延遲，k表示波片的級(jí)數(shù)。根據(jù)該定義式，相對(duì)相位變化由于光的2π周期特性不受級(jí)數(shù)的影響。也就是說(shuō)，級(jí)數(shù)較高波片的厚度要大于級(jí)數(shù)較低的波片，并且更容易受熱膨脹的影響，因此會(huì)放大離軸光線的相位延遲誤差。此外，入射光波長(zhǎng)偏離設(shè)計(jì)波長(zhǎng)同樣會(huì)引入相位延遲誤差。

然而在實(shí)際情況下，真正的零級(jí)波片很少，這是因?yàn)榫w的厚度太薄因而很難加工出來(lái)。代替的方案是使用兩片稍厚一些且晶軸交叉的波片（通常情況下為同一種材料）疊加在一起使用。這種方法雖然不是真正意義上的零級(jí)波片，但相對(duì)更容易加工，是一種在性能和可加工性之間非常好的折中方案。

為了在OpticStudio中建立該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，透鏡數(shù)據(jù)編輯器中輸入的參數(shù)如下圖所示：

需要注意的是，透鏡數(shù)據(jù)編輯器中定義了一個(gè)級(jí)數(shù)為10的四分之一λ波片（紫色表示），和一個(gè)級(jí)數(shù)為10的零相位延遲波片（綠色表示）。兩種波片組合的等效效果為一個(gè)零級(jí)四分之一波片。兩個(gè)波片的厚度可由下式進(jìn)行計(jì)算：

如前文提到的，OpticStudio同一時(shí)間只計(jì)算一束光線，但雙折射輸入/輸出表面允許用戶定義尋常光線和非尋常光線。在本系統(tǒng)中，設(shè)置模式參數(shù)為2或3將提供非常準(zhǔn)確的輸出結(jié)果，因?yàn)榫wQuartz并不是雙折射特性很強(qiáng)的材料，因此尋常光線和非尋常光線的角度偏差很小。同時(shí)，光在雙折射晶體中的傳播距離很短，因此光線在像面上基本重疊。定義雙折射輸入/輸出面的模式參數(shù)為2，設(shè)置輸入光為45°線偏光。我們可以看到輸出光為的軸上圓偏振光。這一結(jié)果和真正的零級(jí)波片基本一致，如下圖所示：

然而，隨著輸入光入射角的增加，等效零級(jí)波片逐漸引入相位延遲誤差，使輸出光的偏振態(tài)變?yōu)闄E圓偏振光。在31.5°的入射角下，等效零級(jí)波片的所引入的延遲更接近于半波片而不是四分之一波片。

有時(shí)候我們也會(huì)想要分析只有尋常光或非尋常光時(shí)的結(jié)果。使用多重結(jié)構(gòu)可以非常簡(jiǎn)單快捷的觀察不同情況下的分析結(jié)果，如下圖所示。多重結(jié)構(gòu)操作數(shù)PRAM用來(lái)調(diào)整雙折射輸入表面的模式參數(shù)。結(jié)構(gòu)3中，表面1和3的模式參數(shù)設(shè)為0（尋常光），因此備注行標(biāo)注了“O-O”。結(jié)構(gòu)4中表面1和3分別設(shè)為0（尋常光）和1（非尋常光），因此備注為“O-E”，其他結(jié)構(gòu)以此類推。

2、光隔離器

光學(xué)隔離器只允許光從一個(gè)方向傳播。這類器件一般使用磁光效應(yīng)，例如法拉第 (Faraday) 效應(yīng)。雖然目前在OpticStudio中沒(méi)有表面可以模擬這類磁光效應(yīng)，但我們可以使用瓊斯矩陣表面近似模擬一個(gè)軸上光學(xué)隔離器。

隔離器中的光學(xué)材料對(duì)于不同角度入射光的影響各不相同。也就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)在給定方向傳播的線偏光，材料將使光線旋轉(zhuǎn)一定角度β；當(dāng)以相反方向傳播時(shí)，材料將使光線旋轉(zhuǎn)角度-β。β由下式定義（單位為弧度）：

其中v表示韋爾代常數(shù) (Verdet Constant)，該常數(shù)用來(lái)描述每特斯拉·米的旋轉(zhuǎn)角度的比例。B表示施加在磁光介質(zhì)上的磁通量。d表示材料的長(zhǎng)度（單位米）。

在OpticStudio中，旋轉(zhuǎn)角度可以通過(guò)以下瓊斯矩陣定義：

然而該方法假設(shè)在Z方向上沒(méi)有電場(chǎng)傳播，并且也不會(huì)考慮材料本身在Z軸上的分量或額外的離軸傳播引入的額外旋轉(zhuǎn)角。