偏振轉換的案例
4，comsol超表面-偏振轉換 ￥2349
本文復現了超表面中偏振轉換型超表面，參考的文獻是《一種超寬帶反射型極化轉換超表面設計》-于惠存，
一種超寬帶反射型極化轉換超表面設計_于惠存.pdf
具體模型如下
在介質板上面鋪有H型金屬片，在介質板下方有一整塊金屬將電磁波完全反射。左旋圓偏光入射到該超表面上，反射光為右旋圓偏光。實現對反射光的一種偏振轉換。
我復現的內容如下
1，x偏振波垂直入射時，仿真了反射波中x偏振分量與y偏振分量的反射系數
2，x極化波入射時，反射波中x分量與y分量的相位差。這里除了comsol，還需要用到matlab才能復現出下圖。具體的matlab代碼及操作步驟在下方的付費內容里有。
3，x極化波入射時，反射波的橢圓角，因為反射波既有x分量，又有y分量，所以反射波是個橢圓波，該橢圓的橢圓角=短半軸/上長半軸，計算橢圓角需要用到matlab。論文給出了橢圓角的計算公式如下
4，x極化波入射角改變時，反射波的橢圓角如下
可以看到我的結果與論文有點不同，這是因為作者用的是CST仿真的，而我用的是comsol。
5，不再是x極化波入射，而是與y軸和x軸有一定夾角的u波v波入射，得到反射波中u波和v波的反射系數ruu,rvu,rvv,rvu及反射系數的相位差如下。
下面是付費內容，包含comsol模型（5.6版）和matlab代碼（2018版）。并有一份ppt詳細介紹了如何將comsol算出的結果導入到matlab中繪制出論文的圖。
展開 [VirtualLab] 單軸晶體中的偏振轉換
摘要
當線偏振光聚焦并通過單軸晶體傳播時，即使沿著光軸方向，不同的偏振分量之間也可能會發生復雜的轉換。這種現象可以應用于例如產生渦旋光。以方解石晶體為例，這個用例在VirtualLab Fusion中證明了單軸晶體中的偏振轉換。并且可以觀察到在過程中產生的渦旋光。
建模任務
系統建立模塊-光源
系統建立模塊-單軸方解石晶體
模擬結果
總結——組件
VirtualLab Fusion操作流程
1建立輸入場
基本光源模式[教學視頻]
2使用表面構造實際組件
3建立單軸方解石晶體
Virtuallab Fusion中的光學各向異性介質[使用案例]
4定義組件的位置和方向
光路圖2：位置和方向[教學視頻]
VirtualLab Fusion 使用技術
文檔信息
拓展閱讀
Virtuallab Fusion中的光學各向異性介質
雙軸晶體中的圓錐形折射
展開 單軸晶體中的偏振轉換
摘要
當線偏振光聚焦并通過單軸晶體傳播時，即使沿著光軸方向，不同的偏振分量之間也可能會發生復雜的轉換。這種現象可以應用于例如產生渦旋光。以方解石晶體為例，這個用例在VirtualLab Fusion中證明了單軸晶體中的偏振轉換。并且可以觀察到在過程中產生的渦旋光。
建模任務
系統建立模塊-光源
系統建立模塊-單軸方解石晶體
模擬結果
總結——組件
VirtualLab Fusion操作流程
1建立輸入場
基本光源模式[教學視頻]
2使用表面構造實際組件
3建立單軸方解石晶體
Virtuallab Fusion中的光學各向異性介質[使用案例]
4定義組件的位置和方向
光路圖2：位置和方向[教學視頻]
VirtualLab Fusion 使用技術
文檔信息
展開 單軸晶體偏振轉換
摘要
當聚焦線性偏振光束通過單軸晶體傳輸，甚至沿著光軸傳輸時，復雜轉換可能會在不同偏振元件之間發生。此類效應可以用來例如生成光學渦旋。以方解石晶體為例，我們在VirtualLab中演示了單軸晶體偏振的轉換。并將此過程中生成的光學渦旋實現可視化。
建模任務
結果
結果
文檔信息
18，comsol仿真極化偏轉
除了將反射波進行偏振轉換，作者還設計另一種超表面將透射波進行了偏振轉換。如下圖
上面的圖表明將x偏振波轉換為y偏振的透射波。這里我不多說了，有興趣去看論文。下面是論文結果VS我的結果。
這里會看到我算的正交偏振曲線會比作者低一些，可能是網格，可能是軟件，但我不糾結于這，我只是淺仿一下，又不是賣模型為生計。
另外關于極化偏轉方面的仿真。我之前也整過一篇，可以看看https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1854099 。這篇science能發主要還是它是2013年的，idea很新很nice，后人的極化偏轉文章也有許多，可以去知網看看
展開 平面和曲面各向異性涂層的模擬與分析
摘要
VirtualLab Fusion 能夠在光學元件的表面添加雙折射涂層，即各向異性介質層，以利用光學系統中偏振控制和多路復用的額外自由度。 在這個例子中，我們介紹了這個特性——在表面上添加各向異性涂層——并分別研究了 lambda/4 涂層在平面和曲面上的偏振轉換。
平面四分之一波片涂層
系統構建塊 – 光源
系統構建塊 – 涂層表面
四分之一波片的偏振轉換
菲涅耳效應偏差的影響
平面四分之一波片涂層
另一個可能影響偏振轉換的附加效應是入射角。 由于場分量在板平面上的投影，所得偏振態將隨著角度的增加而變得更加橢圓。
曲面上的四分之一波片涂層
文件信息
進一步閱讀
- VirtualLab Fusion 中的光學各向異性介質
- 軸晶體中的錐形折射
- 單軸晶體中的偏振轉換
展開 平面和曲面各向異性涂層的模擬與分析
摘要
VirtualLab Fusion 能夠在光學元件的表面添加雙折射涂層，即各向異性介質層，以利用光學系統中偏振控制和多路復用的額外自由度。 在這個例子中，我們介紹了這個特性——在表面上添加各向異性涂層——并分別研究了 lambda/4 涂層在平面和曲面上的偏振轉換。
平面四分之一波片涂層
系統構建塊 – 光源
系統構建塊 – 涂層表面
四分之一波片的偏振轉換
菲涅耳效應偏差的影響
平面四分之一波片涂層
另一個可能影響偏振轉換的附加效應是入射角。 由于場分量在板平面上的投影，所得偏振態將隨著角度的增加而變得更加橢圓。
曲面上的四分之一波片涂層
文件信息
展開 各向異性元件中的偏振效應
雙折射和其他偏振效應是任何各向異性光學元件模擬的主要部分，在許多應用中都具有顯著的特點，其中包括液晶顯示器的制作。
VirtualLab Fusion為您提供了將各向異性介質以涂層或不同組件的形式包含在系統中的選項，例如分層介質組件或晶體板。。這實現了對單層和多層偏振器的完整模擬，如以下示例所示。
VirtualLab Fusion多層雙折射反射偏振器的模擬
在這個用例中，使用VirtualLab Fusion探索了交替雙折射層的數量與布拉格反射條件之間的關系。進一步研究了反射效率隨波長和入射角的變化規律。
單軸晶體中的偏振轉換
線偏振光在方解石晶體中的偏振轉換在VirtualLab Fusion中得到了驗證。
展開 30，comsol仿真半波片/四分之一波片型超表面 ￥4500
因此隨著傳播距離增大，o光與e光之間的光程差也隨著增大，利用光程差就可以把o光和e光組合演化出各種偏振光了。</span></p><div contenteditable="false" width="100%">
<jsk id="C_Playb05be3b4e43671eeba295017e1e90102" videoid="b05be3b4e43671eeba295017e1e90102" duration="0秒">
<img src="https://img.jishulink.com/static/web/youku-case.png">
</jsk>
</div><p>如上視頻展示，入射光偏振為黃色箭頭，傳播方向為x方向。將偏振沿著yz分解為藍色和紅色箭頭，穿越一個介質（作用等效為四分之一波片）后，黃色的線偏振轉換為黃色的圓偏振光。</p><p>傳統的波片效果跟厚度密切相關，而且往往尺寸也大，肉眼可見。為了實現更小的尺度上構造波片，有利于集成化小型化各種光學器件。利用超表面來構造波片是一個不錯的idea。比如很傳統的L型金屬三明治結構的反射型超表面就可以實現玻片功能。</p><p>下面是對于一篇論文的結果復現，作者設計了一個三明治結構，底層一個金屬層做全反射，中間的介質層調控FP腔的尺寸，上面的L型金屬條負責入射光x偏振轉換為y偏振的反射光，整體結構實現了一個反射型半波片的功能。為了表征轉換效果，還求解了反射光的線偏振度，圓偏振度，偏振方位角和橢圓率角。
展開 各向異性元件中的偏振效應
雙折射和其他偏振效應是任何各向異性光學元件模擬的主要部分，在許多應用中都具有顯著的特點，其中包括液晶顯示器的制作。
VirtualLab Fusion為您提供了將各向異性介質以涂層或不同組件的形式包含在系統中的選項，例如分層介質組件或晶體板。。這實現了對單層和多層偏振器的完整模擬，如以下示例所示。
VirtualLab Fusion多層雙折射反射偏振器的模擬
在這個用例中，使用VirtualLab Fusion探索了交替雙折射層的數量與布拉格反射條件之間的關系。進一步研究了反射效率隨波長和入射角的變化規律。
單軸晶體中的偏振轉換
線偏振光在方解石晶體中的偏振轉換在VirtualLab Fusion中得到了驗證。
展開 VirtualLab運用：單軸晶體的偏振轉換
激光系統 > 晶體建模
任務/系統說明
分析聚焦激光束通過單軸晶體傳播的偏振變化
亮點
?基于物理光學的仿真包括：
- 由于雙折射引起的矢量效應；
- 干涉；
?可以完全訪問場屬性，包括：
- 強度；
- 相位；
具體要求：光源
具體要求：偏振
具體要求：透鏡
具體要求：晶體
結果
結果：對比
結果：矢量
結果：干涉
結果：相位
文件&技術信息
VirtualLab：曲面上的雙折射效應
為了在偏振控制和多路復用方面提供額外的設計自由，在許多應用中，各向異性層附著到光學元件的表面。
由于雙折射效應強烈依賴于晶軸相對于入射光方向的取向，因此當涂層應用于曲面時，對此類元件的討論特別令人關注。
各向異性涂層的仿真與分析
本用例介紹了在表面上添加各向異性涂層的特性，并分別研究了λ/4涂層在平面和曲面上的偏振轉換。
各向異性方解石晶體的雙折射效應
本用例演示了利用VirtualLab Fusion模擬雙折射，并研究了輸入偏振和晶體厚度的影響。
JCMsuite應用：四分之一波片
圓偏振平面波是光手性的本征態。因此，近場光手性密度與圓偏振密切相關。在幾何光學中，四分之一波板將線偏振轉換為圓偏振是眾所周知的。它們是由雙折射材料制成的，例如各向異性材料。波片的厚度是尋常(x-)偏振和非尋常(z-)偏振波長差的四分之一。入射平面波在xz方向上線性偏振，在-y方向上傳播，如下圖所示：
四分之一波片的能量守恒和光學手性
由于線偏振，入射手性通量消失=0。對于一個完美的四分之一波片，反射通量將消失，而透射手性通量=1將以圓偏振平面波為單位。從幾何光學的角度，我們認為由于波片的各向異性導致了偏振變化或手性轉換發生在波片的體積內。對于麥克斯韋方程組的嚴格解，會產生與這個簡化模型的輕微偏差。
在近場中，由于各向異性和材料參數[1]的變化而發生手性轉換。利用各向異性電學手性的密度積分，可以在JCMsuite中計算體積貢獻。這種轉換類似于能量吸收。對于這個例子中的分段常數材料，界面處的手性轉換是通過電磁手性轉換通量積分來計算的。它的實部得到。
最后，通過對界面外域電磁手性通量積分取實數部分給出了反射和透射光手性通量。由于光學手性守恒，推導出下式：
適用于任意材料和電磁場。這類似于能量守恒，可寫為
光學手性密度如下所示
研究了四分之一波片近場的光手性密度 (左)及其體積轉換(右)
這是由輸出參量：磁性手性密度和各向異性電性手性密度得到的。在這里，目前的符號并沒有區分整數(例如或)和密度(例如)。
注意，各向異性手性密度在計算上比它們的各向同性對應部分更消耗計算資源。由于所涉及的材料是非磁性的(μr=1)，計算(各向同性)磁性手性密度就足夠了。還需要注意的是，各向異性參量僅適用于具有電場分量或磁場分量的解決方案。
展開 曲面上的雙折射效應
為了在偏振控制和多路復用方面提供額外的設計自由，在許多應用中，各向異性層附著到光學元件的表面。
由于雙折射效應強烈依賴于晶軸相對于入射光方向的取向，因此當涂層應用于曲面時，對此類元件的討論特別令人關注。
各向異性涂層的仿真與分析
本用例介紹了在表面上添加各向異性涂層的特性，并分別研究了λ/4涂層在平面和曲面上的偏振轉換。
各向異性方解石晶體的雙折射效應
本用例演示了利用VirtualLab Fusion模擬雙折射，并研究了輸入偏振和晶體厚度的影響。
JCMsuite應用：四分之一波片
圓偏振平面波是光手性的本征態。因此，近場光手性密度與圓偏振密切相關。在幾何光學中，四分之一波板將線偏振轉換為圓偏振是眾所周知的。它們是由雙折射材料制成的，例如各向異性材料。波片的厚度是尋常(x-)偏振和非尋常(z-)偏振波長差的四分之一。入射平面波在xz方向上線性偏振，在-y方向上傳播，如下圖所示：
四分之一波片的能量守恒和光學手性
由于線偏振，入射手性通量消失=0。對于一個完美的四分之一波片，反射通量將消失，而透射手性通量=1將以圓偏振平面波為單位。從幾何光學的角度，我們認為由于波片的各向異性導致了偏振變化或手性轉換發生在波片的體積內。對于麥克斯韋方程組的嚴格解，會產生與這個簡化模型的輕微偏差。
在近場中，由于各向異性和材料參數[1]的變化而發生手性轉換。利用各向異性電學手性的密度積分，可以在JCMsuite中計算體積貢獻。這種轉換類似于能量吸收。對于這個例子中的分段常數材料，界面處的手性轉換是通過電磁手性轉換通量積分來計算的。它的實部得到。
最后，通過對界面外域電磁手性通量積分取實數部分給出了反射和透射光手性通量。由于光學手性守恒，推導出下式：
適用于任意材料和電磁場。這類似于能量守恒，可寫為
光學手性密度如下所示
研究了四分之一波片近場的光手性密度 (左)及其體積轉換(右)
這是由輸出參量：磁性手性密度和各向異性電性手性密度得到的。在這里，目前的符號并沒有區分整數(例如或)和密度(例如)。
注意，各向異性手性密度在計算上比它們的各向同性對應部分更消耗計算資源。由于所涉及的材料是非磁性的(μr=1)，計算(各向同性)磁性手性密度就足夠了。還需要注意的是，各向異性參量僅適用于具有電場分量或磁場分量的解決方案。
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