簡介:
本文的目的是介紹FRED的材料性質(zhì)方面一些高級的設(shè)定,這些設(shè)定共分成以下幾個部份。
雙折射晶體和偏振光干涉
光源偏振設(shè)置
雙折射材料方向和其他設(shè)定
干涉結(jié)果和光線性質(zhì)查看
漸變折射率(GRIN)材料
腳本設(shè)置漸變折射率材料
定性模擬結(jié)果
雙折射晶體和偏振光干涉
偏振光干涉現(xiàn)象在實(shí)際中有很多應(yīng)用,這里要模擬的是一種典型的雙折射干涉實(shí)驗,設(shè)置如下圖所示:左側(cè)是偏振光源,偏振方向是在xy平面且與x軸夾角45度,所有光線的反向延長線指向一點(diǎn)。接下來光線經(jīng)過方解石平板,厚2mm,光軸方向沿z 軸。然后光線通過偏振片,偏振片方向與光源方向垂直(xy 平面,與x 夾角-45度),偏振片是通過設(shè)置偏振鍍膜來實(shí)現(xiàn)的。最右邊是接收分析面,光線在這里停止,用來計算光強(qiáng)。
圖1. 系統(tǒng)設(shè)置
下面設(shè)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),波長設(shè)置為0.5875618,o光和e光的折射率分別設(shè)為1.66 和 1.49,光軸方向設(shè)置為z軸(0,0,1)。
圖2. 雙折射材料
偏振片是通過偏振鍍膜來實(shí)現(xiàn)的,如下新建偏振鍍膜。右擊鍍膜文件夾,新建鍍膜,類型選擇偏振/波片鍍膜瓊斯矩陣(Polarizer/Waveplate Coating jones matrix),然后默認(rèn)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(xì)光源。命名為Diverging beam,光源的類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(fù)軸的某一點(diǎn)(0,0,-20)。設(shè)置光源設(shè)為相干光,在偏振(polarization)選項卡里設(shè)置光源偏振類型和方向為線性偏振,方向為x軸方向(下面通過把光源沿z軸選擇-45度來調(diào)整偏振方向,當(dāng)然也可以在這里設(shè)置偏振方向為某一個特定點(diǎn)方向,但是用前一種方法在需要改變光源偏振方向時會更方便一些)。然后設(shè)置光源位置和旋轉(zhuǎn),將光源位置設(shè)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(shè)置
圖6. 光源偏振設(shè)置
圖7. 光源位置和旋轉(zhuǎn)
在幾何結(jié)構(gòu)文件夾(geomertry)下右擊,選擇新建透鏡(lens)。如下如設(shè)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(jié)構(gòu)文件夾下(geometry)下右擊,新建基本元件(create element primitive),平面(plane),半長寬分別是10單位,旋轉(zhuǎn) -45度,向z軸負(fù)方向平移5個單位。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,半長寬分別12,位置在(0,0,10)處。
圖10. 接收面
設(shè)立分析面,并且套用在接收面上。這里分析面對尺寸設(shè)置為可以自動匹配到數(shù)據(jù)范圍。
圖11. 分析面
到這里設(shè)置已經(jīng)完畢,整個系統(tǒng)看起來像下圖的樣子,也可以到 Edit/Edit View Multiple Surfaces 下查看各個表面的材料,鍍膜,光線控制等性質(zhì)。
圖12. 整體系統(tǒng)
圖13. 各個表面性質(zhì)
現(xiàn)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能夠通過。光線通過單軸晶體時,分為o光(ordinary)和e光(extraordinary),其中o光電場分量與主平面(光線與光軸組成的平面)垂直,e光電場分量與主平面平行,在晶體內(nèi)o光和e光的速度一般會不同(與光軸和光線方向有關(guān)),即等效折射率不同,所以兩種光分開一個很小的角度,而且傳播同樣距離會有一個相位差。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足相干條件的。兩種光的相位差是隨著傾斜角度變化的,所以隨著傾角的變化會出現(xiàn)明暗交替的環(huán)。
對于同一個傾角的光線,不同方位角的光線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方位角而變化,所以可以設(shè)想同一環(huán)上的光強(qiáng)也會隨著方位角而周期性變化。實(shí)際上,會在相干環(huán)上出現(xiàn)一個暗的十字刷。
下面追跡光線并且查看能量分布,如下圖所示。
這里改變了繪圖樣式和顏色級別,可以通過右擊圖表,選擇change color level 來設(shè)置。
圖14. 光線追跡效果
在 Analysis/Polarization Spot Diagram (Ctrl+Shift+L) 里查看分析面上的光線偏振情況,應(yīng)該都是方向為-45度的線偏光,如下圖所示。也可以將接收面移動到偏振片之前,將接受面沿z軸的偏移量從10 單位長度調(diào)整到3,查看一下這里光線的偏振情況。可以看到o光和e光在同一傾斜角,不同方位角時分量會不同。
圖15. 分析面上光線的偏振情況
圖16. 偏振片前光線的偏振情況
下面考慮將偏振片旋轉(zhuǎn)一定角度后干涉結(jié)果會如何變化,如下圖,將偏振片繞z軸旋轉(zhuǎn) -80度。
圖17. 將偏振片旋轉(zhuǎn)一定角度
圖18. 旋轉(zhuǎn)偏振片后的干涉情況
偏振干涉的干涉圖樣是千變?nèi)f化的,現(xiàn)在調(diào)整光軸方向傾斜一個小的角度,觀察會出現(xiàn)什么結(jié)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(diào)整漸變折射率材料/雙折射材料位置方向)中調(diào)整,分別選者材料和元件,調(diào)整位置或角度,如下圖所示。
圖19. 調(diào)整雙軸晶體晶軸方向
圖20. 光軸沿線x軸旋轉(zhuǎn)3度后的干涉圖樣
從上圖可以看出,傾斜光軸只是相當(dāng)于平移了干涉圖樣。
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