如何在OpticStudio中建模和設計真實波片
原文發布于Zemax知識庫
本文作者：Takashi Matsumoto
合作翻譯：光譜時代-余德洋
本文介紹了如何在 OpticStudio 中建模和設計真實的單色和消色差波片。它將演示如何使用雙折射材料，通過構建評價函數來計算相位延遲，并使用 Universal Plot 將相位延遲與波片厚度的關系可視化。
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雙折射材料和波片
常用大多數波片利用的是材料的雙折射特性。雙折射即材料的折射率取決于光的偏振方向和傳播方向。雙折射材料有很多種類型，然而單軸晶體型材料通常用于波片。單軸晶體有兩個相互垂直的固定折射率軸，其中一個是晶體光軸。通常光波由兩個偏振分量組成，這兩個偏振分量受不同的等效折射率控制。
其中快軸平行于晶體光軸的方向 ，慢軸則與快軸正交。
圖 1. 雙折射材料以及光線路徑
https://www.microscopyu.com/techniques/polarized-light/principles-of-birefringence
這兩個方向稱為“快軸”和“慢軸”，其折射率值稱為尋常光折射率和非尋常光折射率。光沿快軸方向的折射率低，且光沿快軸方向的相速度比其慢軸方向快。
一般來說，完全偏振光可以視為由兩個偏振分量組成。兩個偏振分量受不同的等效折射率控制。由于材料和偏振特性，入射偏振光在通過材料傳播時被分成快軸或慢軸兩個偏振分量。
在制作波片時，需要將雙折射材料被切割成板狀，同時要選擇切割方向，使晶體光軸平行于板的表面。
例如，我們考慮以與快軸成 45 度角入射波片的垂直方向的線偏振光。光波通過波片后，將被分成“快”軸和“慢”軸兩個偏振分量。這兩個偏振分量以不同的速率進行相位累加，它們之間的相位差稱為“相位延遲”， 如圖 2 所示。
這就是雙折射波片的基本原理。
圖 2. 雙折射半波片中的偏振圖像
https://en.wikipedia.org/wiki/Waveplate#Quarter-wave_plate
設計單色四分之一波片
在設計單色波片之前，理解上述理論十分重要。
例如，四分之一波片將在光的兩個偏振分量之間引入四分之一波長相位延遲。要設計四分之一波片的話，我們可以使用如下公式來計算平行平板的厚度 t。
其中：
m 波片的階數
λ 是波長
t 是雙折射平行平板的厚度
ne and no 是尋常光的折射率和非常光的折射率
OpticStudio的“雙折射”材料目錄中包含一些常用的雙折射材料。要使用該材料目錄的話，請在系統選項的“材料目錄”選項卡中選擇相關目錄，如圖 3 所示。
圖 3: 系統選項中的材料目錄選項卡
現在，我們以使用 QUARTZ 材料為例，這種材料一般是指結晶的氧化硅，且被稱為“晶體”。“快”軸方向在“QUARTZ”材料中定義，“慢”軸方向在“QUARTZ E”材料中定義。同時我們可以在 OpticStudio 的色散圖中檢查對應折射率。
圖 4. OpticStudio 中的色散圖
此功能提供了折射率與波長的關系列表和圖表，如圖 5 所示。
圖 5. “QUARTZ” 以及“QUARTZ-E” 材料的折射率色散圖
將 Glass 1 設置為 QUARTZ，將 Glass 2 設置為 QUARTZ-E 以查看圖表值，如圖 5 所示。
此時，no =1.5487281 和 ne = 1.579932，波長為 0.5 μm。
石英板的最小厚度可以使用前面的公式計算得出厚度 t = 13.491 μm。
單色四分之一波片建模
現在，我們在 OpticStudio 中模擬如上波片。在附件中可以找到一個名為 “Monochromatic wave plate.ZAR” 的示例文件。
材質為 “QUARTZ”，晶體光軸沿 X 軸方向，光線傳播方向沿 Z 軸。在此文件中波長設定為 0.5 μm。
首先，我們要設置入射光線的偏振態。在 “System Explorer” 的 “Polarization” 選項卡中，取消選中 “Unpolarized” 并將偏振態設置為右旋圓偏振光，如圖 6 所示。
圖 6. 系統選項中的偏振設置
“X Phase” 是瓊斯矢量的相位角，以度為單位。它表示 X 方向電矢量波陣面的相位延遲。如果觀察者轉身觀察入射光線，觀察者首先會看到沿 Y 方向的電矢量振幅，然后是沿 X 方向的電矢量振幅。
因為電場的能量（電矢量振幅）對于觀察者而言是順時針旋轉的，所以這種偏振態被稱為“右手圓偏振”。請注意，為了在 OpticStudio 中表示完全圓偏振，“Jx” 和 “Jy” 的值必須相同且具有 90 度相位差。
我們可以使用 OpticStudio 中的 “Birefringent In” 和 “Birefringent Out” 表面對來雙折射材料進行建模。“Birefringent In” 表面有一些重要參數需要設定，即 X、Y、Z 余弦參數和模式參數。
X、Y、Z 余弦參數：定義晶體光軸。常用波片的平面平行于晶體光軸，然而，一般的光學元件并不存在這種正交性。所以我們需要設置這些參數以解決這種情況。
模式參數：定義計算方式和選擇光線。
- 當此值為 0 或 1 時，OpticStudio 僅追跡尋常光或非常光。 - 當此值為 2 或 3 時，OpticStudio 會追跡尋常光或非常光，并將光線的偏振計算為偏振的矢量和。
圖 7. 幫助文件中“Biregringent In”對于模式 2 和模式 3 的說明
我們將模式設定為 2 或 3。
現在入射光線為右旋圓偏振光，并且定義偏振光的 X 方向有 90 度的相位延遲。一個最薄的單色波片可以被設計成快軸方向平行于 X 方向。為此，在第 1 表面之后插入第 2 表面，并將第 2 個表面設置為 “Biregringent In”，將第3個表面設置為 “Biregringent Out”。
將 X、Y、Z 余弦參數設置為 “1,0,0”。
將模式設置為模式 2。
將材料設置為 “QUARTZ” 并將第 2 表面厚度設置為 “0.013491”。
這個厚度數據是從前面的計算得出的。
為方便可視化，可以將第 1 面和第 3 面的厚度設置為 0.1。
其余的大部分設置都是默認配置。孔徑類型為入瞳直徑，孔徑直徑為 0.1。波長 1 為 “0.5”。
圖 8 顯示了如上條件下的鏡頭數據編輯器、3D 布局和偏振光瞳圖。
圖 8. OpticStudio 中的示例模型
根據偏振光瞳圖所示，右旋圓偏振光變為線偏振光。這一結果可以使用評價函數中的 CODA 操作數來確認。
幫助文件中有關于 CODA 操作數的詳細描述。CODA可以計算出光線的延遲，相位差。
圖 9. 幫助文件中 CODA 操作數的解釋說明
圖 10 展示的是評價函數的值，其結果大致為 0，符合預期。
此處加一注釋。波片的厚度可以在計算值的基礎上再度優化。對此，我們可以將 CODA 操作數的權重更改為 1，并將表面 2 的厚度設置為變量。
通用圖表的另一功能是可以使用 Universal Plot 1D 觀察延遲隨第二表面厚度的變化情況。
圖 10. “評價函數”和“通用圖表”的結果
在圖 10 中，CODA操作數返回至介于 -π 至 π 之間。
接下來，讓我們考慮如何計算由波片產生的光程差。OpticStudio 有一個 OPTH 操作數來計算光程。OPTH 可以計算表面的光程。然而，每個表面都需要具有各向同性/均勻的材料。
因此，在這種情況下，多配置編輯器可用于將 “Birefringent In” 和 “Birefringent Out” 表面更改為 “標準” 表面以及對應表面的材料。在示例文件中，結構 2 的材料是 “QUARTZ”，結構 3 的材料是“QUARTZ E”。由于沒有用于更改表面類型的多重配置操作數，因此使用 “IGNR” 多重結構操作數來忽略原始表面。
圖 11. 多重結構編輯器、通用圖表和評價函數
在多重結構編輯器中，Configuration 1 為波片結構。Configuration 2 使用尋常折射率計算相位， Configuration 3 使用非尋常折射率計算相位。
在評價函數編輯器中，CONF 操作數用于更改結構，OPTH 操作數用于計算相位。接下來解讀評價函數：
第 6 行和第 9 行的值分別為透鏡單元中使用尋常光折射率和非尋常光折射率得出的光程（在本例中單位為 mm）
第 7 行和第 10 行的值是波數
第12 行的值是第 7 行和第 10 行的值之差
第 17 行的值是第 12 行值的弧度
最后：
要計算延遲，需要在評價函數中將第 3 行的權重設置為 1.0，并將第 17 行的權重設置為 0.0。
要計算波片中的光程差，需要在評價函數中將第 3 行的權重設置為 0.0，并將第 17 行的權重設置為 1.0。
建模消色差四分之一波片
現在，讓我們為寬帶光源建模消色差波片。在附件中可以找到一個名為 “Achromatic wave plate.ZAR” 的示例文件。消色差波片可以被視為與消色差透鏡功能相同，即兩個或多個不同材料的波片組合起來可以抵消色散。比如以下網站：https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm? objectgroup_id=854
列舉 “石英” 和 “氟化鎂” 作為消色差波片的材料。OpticStudio 的雙折射材料目錄中包含了 “QUARTZ” 和 “MgF2”。
該模型將包含兩組使用以上材料建模的 “Birefringent In” 和 “Birefringent Out” 表面。兩組雙折射材料的晶體光軸都是正交的。例如，如果前波片的晶體光軸為 X 方向，則后波片的晶體光軸將為 Y 方向。這是為了有效利用色散效應。
示例文件模擬了一個 0.5 到 0.7 μm 的消色差四分之一波片。與之前的模型一樣，入射光線為右旋圓偏振光，如圖12所示。
圖12. 消色差波片模型
系統布局如圖 12 所示。與圖 8 相比，此處多了一組 “Birefringent In” 和 “Birefringent Out” 面。通過這一系列波片的光波在 X 和 Y 方向上傳播的光程可以通過如下公式計算：
其中：
n1o 與 n2o 分別為波片 1 和波片 2 的尋常光折射率
n1e 與 n2e 分別為波片 1 和波片 2 的非尋常光折射率
t1 與 t2 分別為波片 1 和波片 2 的厚度
λ 為波長
由于在上述方程中折射率是波長的函數，因此可以通過優化計算得出具有最小色散的波片的厚度。
“CODA” 操作數可用于計算不同波長光的相位延遲。設計該系統的評價函數等價于延遲的平方和。
我們可以使用 TTHI 操作數來控制波片的厚度。優化評價函數即使如下公式得到最小值。
為了找到一個好的解決方案，需要使用 “Hammer Current Optimization”，因為它會避免局部最小值。需要將表面 2 和表面 4 的厚度設置為變量。優化后的結果如圖 13 所示。
圖 13. 優化后的結果
根據圖 13，評價函數接近于 0，偏振光瞳圖顯示了圓偏振光通過波片后變為線偏振光。
現在可以使用 Universal Plot 2D 檢查兩個波片的厚度與相位延遲之間的關系。
為此，需要將 TTHI 操作數的權重更改為 0，因為該操作數與延遲無關。結果如圖 14 所示。
圖 14. 評價函數的通用圖
根據繪圖，當厚度差恒定時，相位延遲似乎最小。
這表明兩個波片之間的差異相比于波片的整體厚度，對消色差波片性能的影響更為重要。在圖 15 中，更改厚度比例以更清楚地顯示最佳厚度范圍。
圖 15. 通用繪圖 - 評價函數最大值為 0.3
總結
本文介紹如何在 OpticStudio 中建模和設計真正的波片。設計波片后，可以使用 “通用繪圖” 中的評價函數評估其性能。
參考文獻
Polarization: Investigating OpticStudio’s polarization features: https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/1500005486441
Universal Plot: Tutorial 5: Parameter visualization: https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/1500005578542
Multiconfiguration: How to model an adaptive optical system: https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/1500005488241
Coordinate Break: How to work in global coordinates in a sequential optical system: https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/1500005487781
Birefringent:
How to design birefringent polarizers: https://support.zemax.com/hc/en-us/articles/1500005486841
What does selecting a mode flag on a "Birefringent In" surface do?: https://community.zemax.com/got-a-question-7/what-does-selecting-a-mode-flag-on-a-birefringent-in-surface-do-655
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