FRED应用：偏振片的模拟

简介

FRED具有通过光学系统来模拟光线偏振的能力。光源可以是随机、圆或线偏振光。能够过滤或控制偏振的光学组件，如双折射波片和偏振片，可以准确的进行模拟。FRED中偏振模拟的一些简单例子包括吸收二向色性和线栅偏振器，方解石半波片和马耳他十字现象。这些特征的每个都可以应用到更复杂的光学系统，如液晶显示器（LCD）、干涉仪以及偏光显微镜。

偏振片模型

考虑一个简单的偏振片系统，包括随机偏振光，接着是虚拟表面、x偏振片和探测表面。相干光源由在z方向传播的10 ×10椭圆网格创建。光源的偏振态定义为“偏振”&“随机性”，取决于(i)椭圆率(ii)旋转方向(iii)椭圆偏振角。虚拟和探测器表面具有“Absorb”涂层和“Halt All”光线追迹控制的椭圆平面。分析面分配到了每个平面。

图1.随机偏振光由x偏振片过滤，由探测器进行收集

有两种方法来模拟偏振片。最简单的方法是添加偏振涂层到表面。在FRED文档的涂层分类中，用户可以右键单击并选择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，选择“X Linear Polarizer”选项，并分配到偏振片表面。

一个更为准确的技术是用自定义材料来模拟基于吸收的偏振。在FRED文件的材料分类中，用户可以右键点击，选择Create a New Material……在下拉菜单中，选择“Sampled Birefringent and/or Optically Active Material”。这里，用户对每个晶轴定义不同的实数折射率值，并且还可以定义不同的虚数折射率值。对于本例子，晶轴位于本地+X方向（1,0,0）。

一个吸收二向性x偏振片可以用no=1.61、ne=1.65、ko=100、ke=0模拟，一个线栅偏振片可以用no=1、ne=1.001、ko=100、ke=0模拟，虚数折射率代表吸收。在这种情况下，偏振的O光分量（垂直于晶轴）被吸收，只留下沿着+X晶轴的偏振分量。

偏振点图

为监测光通过系统的偏振情况，一个分析面可用于产生偏振点图。运行光线追迹后，用户可以前往Analysis / Polarization Spot Diagram……对于分析面每个光线的偏振将会标记为具有指示旋向箭头的椭圆。如果分析面的z轴与光线传播方向一致，通过将大拇指对准光线过来的传播方向并应用右手定则，即可确定旋向。例如，如果光线沿着全局+Z方向传播，分析面+Z轴指向相同的方向，沿着全局-Z轴对准你的大拇指，运用右手定则来确定光线的旋向。

正如所预期的，来自光源的光线具有随机偏振态（图2，左）。 追迹从x偏振片到探测器的光线后，产生了一个新的偏振点图，这可以证实只有x偏振光分量穿过了偏振片（图2，右）。

图2.偏振点图。左边：进入x偏振片之前的随机偏振光。右边：通过偏振片光线的x偏振分量，y偏振分量由偏振片吸收。在任意偏振入射的条件下，探测器会收集大约50%的入射光功率。