FRED应用：模拟沃拉斯顿棱镜偏振器

介绍沃拉斯顿棱镜偏振器包含两个由单轴晶体构成的直角棱镜如方解石它经常用于沃拉斯顿棱镜中。两块单轴晶体是定向的使得晶轴互相垂直。如下图所示的几何结构水平偏振光在第一个区域中以非寻常折射率ne传播折射到第二个区域中以寻常折射率no传播。垂直偏振光经过相反的折射两个偏振态就这样分开了。本文介绍了一个脚本即wollastonCreator.frs根据输入到基本对话框中的用户技术参数来创建一个沃拉斯顿棱镜且允许三个方向上具有不同的尺寸。wollatsonPrismPolarizers.frd这个FRED文件包含两个使用生成器脚本创建的沃拉斯顿棱镜— 一个是基于ThorLabs模型另一个是基于Edmund光学模型。为了方便起见沃拉斯顿生成器脚本和双折射材料生成器脚本已作为嵌入式脚本包含在里面。当定义用于沃拉斯顿棱镜偏振器的双折射材料时双折射材料生成器可能会非常有用。图1. 沃拉斯顿棱镜偏振器的晶轴标记为黑色箭头水平x偏振光向上偏折垂直y偏振方向上下偏折假定为负单轴晶体none。FRED中的双折射材料在使用双折射材料创建元件之前理解他们在FRED中如何定义的是很有用的。通过使用“Sampled Birefringent and/or Optically Active Material”作为材料类型指定若干波长处的寻常和非寻常折射率单轴晶体的轴向量我们就定义了一个双折射材料。通常晶轴方向是一个矢量该矢量的指向沿着与全局坐标系中非寻常折射率ne相关的方向。当创建一个新的双折射材料时包含晶轴方向名字或描述是一个好的习惯。当一个双折射材料分配到一个表面时它是置于该表面的父实体目标实体的局部坐标系中。当使用双折射材料创建透镜、反射镜或棱镜时也是同样的道理。举个例子如果一个透镜是由双折射方解石制成且晶体光轴固定在x方向1 0 0表面材料的定义是相对于透镜坐标系的。同样的透镜如果经过旋转它的性能可以保持。注意到与透镜、反射镜或棱镜元件不同当使用双折射材料定义元件基元时该材料是停留在全局坐标系中的。FRED中有一个实用工具可以用来修改、检查并记录材料的方向即“Edit/View GRIN/Birefringent Material Position/Orientation”通过“Tools”顶部菜单或右键单击对象树中的一个实体就可以访问它。如图2所示该工具有一个下拉菜单里面包含双折射或GRIN材料在内的所有表面材料的一个列表。所选材料的坐标系显示在其中且可以编辑。图2. 编辑/查看双折射材料位置/方向工具脚本嵌入式脚本使用一个对话框见图3提示用户有关棱镜名子、描述、材料和尺寸的信息。第一个材料双折射材料1将分配到沃拉斯顿棱镜的第一个区域并且它的晶轴方向沿着x轴晶矢[1 0 0]。第二个材料双折射材料2应该与第一个是同样的材料但是晶轴方向沿着y轴晶矢[0 1 0]。这两种材料一定是“Sampled Birefringent and/or Optically Active Material”类型的。另外浸液材料也应该指定好。图3. 沃拉斯顿棱镜创建对话框该脚本首先生成了所有材料的列表以及本文中提及的双折射材料然后从对话框中获取用户的输入并将它们分配给变量。这样就创建了新的自定义元件实体接着按顺序定义每一个表面。样本模型FRED文件.frd包含了两个沃拉斯顿棱镜模型由沃拉斯顿棱镜生成器脚本产生。它们都还含有使用布尔复合元件创建的粗糙的模型。为了分析该棱镜我们定义了多偏振和非偏振光源。除了常规的分析表面我们也定义了一个定向分析表面。它可以用来运行“Intensity on Polar Grid”分析来测量正交偏振光束之间的角间距。图4. 角间距计算