FRED应用：波片模拟

简介
 

FRED具备通过光学系统模拟光线偏振的能力。光源可以是随机偏振、圆偏振或线偏振。过滤或控制偏振的光学元件，如双折射波片和偏振片，可以准确的模拟。FRED偏振模型中一些简单例子包括吸收二向色性和线栅偏振片，方解石半波片，和马耳他十字现象。这些特性的每一个都可以应用到更复杂的光学系统中，如液晶显示（LCDs）、干涉仪和偏光显微镜。

波片模型
 

波片是由寻常光和非寻常光具有不同折射率值的材料制成。取向合适时，波片可以改变光线的一个偏振分量（相对于另一个），从而改变它的偏振态。四分之一波片使线偏振变成圆偏振，反之亦然。半波片使x偏振光变成y偏振光，或者右旋偏振光变成左旋偏振光。

从FRED系统的X偏振片示例开始，波片元件添加到了x偏振片后面（图1）。模拟一个波片有两种方法。最简单的方法是指定一个1/2波片涂层到一个表面上。在FRED文件的Coatings分类下，用户可以右键点击Create a New Coating….在下拉菜单中，可以选择“Polarizer/Waveplate Coating (Jones matrix)”。对于这个例子，涂层类型选择“1/2 wave +45 Fast Axis”。这样可以保证波片的晶轴相对于x偏振的入射光旋转45度。

图1.随机偏振光通过x偏振片过滤。剩余的光线通过一个+45°1/2波片（黄色），它可以将x偏振光转换成y偏振光。

模拟波片的一个更加精确的方法是指定一个自定义双折射材料到一个杆状元件中。在FRED文件的Material分类中，用户可以右键点击并选择Create a New Material….在下拉菜单中，可以选择“Sampled Birefringent and/or Optically Active Material”。对于这个例子，晶轴偏转+45°（0.707,0.707,0），然后定义下面的材料特性（基于方解石晶体）：波长=0.59um，no=1.658，ne=1.486，ko=0，ke=0。

作为1/2波片，一定要选择杆的长度，这样寻常和非寻常偏振分量可以通过1/2λ的净值分隔开来。

其中L=杆长，λ是以系统单位表示的光波长，K是一个整数，no和ne是双折射率的寻常和非寻常分量。通过这个块状双折射材料的光线追迹会将每个光线分成寻常和非寻常分量。作为分析结果，偏振点图（Polarization Spot Diagram）将会显示每个单独的分量（图2）。
 

图2.x偏振光通过一个方解石1/2波片后的偏振点图。偏振的寻常和非寻常分量绘制成单独的光线。

为了保证光线确实是y偏振的，在探测器表面显示了相干矢量波场（Coherent Vector Wave Field）。选择右键菜单“Show X Component of Field”，然后再次点击右键，选择“Show Statistics”，可以观察到x偏振分量上能量的积分。比较X分量和Y分量，可以证实几乎所有的入射能量都在y偏振分量上。

波片的厚度决定了到达探测器x和y偏振光的比值。为了说明这一点，使用3°楔形方解石替代杆状波片。相干场的x和y分量如图3所示。

图3.x偏振光通过具有+45°光轴的楔形方解石晶体后，探测器上相干矢量场的x和y分量。波片厚度沿着y方向变化，因此在沿着楔形周期性位置处担当着1/2波片的角色。