偏振相关表面的应用

在本节中我们会用实例介绍如何在OpticStudio中定义双折射延迟器和光隔离器。

1、光学延迟器

光学延迟器（也称作波片）可以改变输入光的偏振态。本节中展示了如何构建一个λ/4相位变化的零级延迟器（也称作四分之一波片），该器件可以将输入的线偏光转变为圆偏光。该系统中使用了双折射晶体Quartz和氦氖激光（632.8nm）。

通常情况下，波片引入的延迟可由下式表示：

其中△n表示寻常光和非寻常光的折射率之差，λ表示光的波长，d表示晶体的长度，表示弧度表示的相位延迟，k表示波片的级数。根据该定义式，相对相位变化由于光的2π周期特性不受级数的影响。也就是说，级数较高波片的厚度要大于级数较低的波片，并且更容易受热膨胀的影响，因此会放大离轴光线的相位延迟误差。此外，入射光波长偏离设计波长同样会引入相位延迟误差。

然而在实际情况下，真正的零级波片很少，这是因为晶体的厚度太薄因而很难加工出来。代替的方案是使用两片稍厚一些且晶轴交叉的波片（通常情况下为同一种材料）叠加在一起使用。这种方法虽然不是真正意义上的零级波片，但相对更容易加工，是一种在性能和可加工性之间非常好的折中方案。

为了在OpticStudio中建立该系统结构，透镜数据编辑器中输入的参数如下图所示：

需要注意的是，透镜数据编辑器中定义了一个级数为10的四分之一λ波片（紫色表示），和一个级数为10的零相位延迟波片（绿色表示）。两种波片组合的等效效果为一个零级四分之一波片。两个波片的厚度可由下式进行计算：

如前文提到的，OpticStudio同一时间只计算一束光线，但双折射输入/输出表面允许用户定义寻常光线和非寻常光线。在本系统中，设置模式参数为2或3将提供非常准确的输出结果，因为晶体Quartz并不是双折射特性很强的材料，因此寻常光线和非寻常光线的角度偏差很小。同时，光在双折射晶体中的传播距离很短，因此光线在像面上基本重叠。定义双折射输入/输出面的模式参数为2，设置输入光为45°线偏光。我们可以看到输出光为的轴上圆偏振光。这一结果和真正的零级波片基本一致，如下图所示：

然而，随着输入光入射角的增加，等效零级波片逐渐引入相位延迟误差，使输出光的偏振态变为椭圆偏振光。在31.5°的入射角下，等效零级波片的所引入的延迟更接近于半波片而不是四分之一波片。

有时候我们也会想要分析只有寻常光或非寻常光时的结果。使用多重结构可以非常简单快捷的观察不同情况下的分析结果，如下图所示。多重结构操作数PRAM用来调整双折射输入表面的模式参数。结构3中，表面1和3的模式参数设为0（寻常光），因此备注行标注了“O-O”。结构4中表面1和3分别设为0（寻常光）和1（非寻常光），因此备注为“O-E”，其他结构以此类推。

2、光隔离器

光学隔离器只允许光从一个方向传播。这类器件一般使用磁光效应，例如法拉第 (Faraday) 效应。虽然目前在OpticStudio中没有表面可以模拟这类磁光效应，但我们可以使用琼斯矩阵表面近似模拟一个轴上光学隔离器。

隔离器中的光学材料对于不同角度入射光的影响各不相同。也就是说，对于一个在给定方向传播的线偏光，材料将使光线旋转一定角度β；当以相反方向传播时，材料将使光线旋转角度-β。β由下式定义（单位为弧度）：

其中v表示韦尔代常数 (Verdet Constant)，该常数用来描述每特斯拉·米的旋转角度的比例。B表示施加在磁光介质上的磁通量。d表示材料的长度（单位米）。

在OpticStudio中，旋转角度可以通过以下琼斯矩阵定义：

然而该方法假设在Z方向上没有电场传播，并且也不会考虑材料本身在Z轴上的分量或额外的离轴传播引入的额外旋转角。