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FRED双折射晶体偏振干涉效应

时间:2024/1/13 22:58:32   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:112   评论:0
内容摘要: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...

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。

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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)。

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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。

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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。

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图4.  光源方向

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图5.  光源相干性设置

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图6. 光源偏振设置

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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图12. 整体系统

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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。

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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。

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图15. 分析面上光线的偏振情况

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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。

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图17. 将偏振片旋转一定角度

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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。

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图19. 调整双轴晶体晶轴方向

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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。


标签:折射 晶体 干涉 效应 

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