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偏振相關介質的種類

在OpticStudio中有多種可以改變輸入光偏振態的方法。這些方法引入了偏振相關的表面或材料。下面我們來介紹三種方法并描述它們在通常情況下的應用場景。

1、瓊斯矩陣 

瓊斯矩陣表面是一個理想的面型并且默認輸入光為垂直入射。該表面使用2x2矩陣表示瓊斯向量（用來描述電場）如下式所示： 

其中A, B, C, D, Ex和Ey均為復值。該矩陣可以通過二維向量描述三維電場但前提假設是默認其傳播方向與Z軸重合。因此，電場分量只在XY平面。如果光線確實沿Z軸準直入射系統，則該表面可以提供理想的分析結果，并描述出P和S偏振態的變化及透過率的變化。

OpticStudio也允許在斜入射的情況下使用瓊斯矩陣表面，但這種情況下該分析功能只能提供近似結果。并且矩陣無法考慮電場在Z方向上的分量產生的影響，即雙折射現象或菲涅爾效應等。

如果使用瓊斯矩陣來模擬光延遲器件，則入射光必須垂直于該表面。如果您需要準確計算離軸的相位變化，您需要使用雙折射輸入 (Birefringent In) 和雙折射輸出 (Birefringent Out) 表面。

瓊斯矩陣可以較好的模擬離軸入射下的起偏器。表面將允許電場在Z方向上傳輸，并可以像電場X分量和Y分量一樣進行模擬。在模擬結果中和向量K平行的分量將被減去，因此電場保持與向量K垂直。如果需要生成一個表面可以改變Ez分量，您可以使用光學鍍膜。

2、光學表面鍍膜

OpticStudio允許用戶定義實際鍍膜或理想鍍膜并將這些應用在光學系統上。同時OpticStudio的鍍膜數據庫包含了大量常用的膜層數據。雖然鍍膜可以用于多種不同的應用環境，但本文將只關注鍍膜對光線偏振態的影響。

在討論鍍膜的影響之前，我們必須考慮到電場的強度和偏振態是由向量表示的：

其中Ex, Ey, Ez均為復值。電場向量E必須垂直于光線傳播的方向向量。在兩種介質的邊界處，透過率、反射率和電場的相位在P分量和S分量上各不相同。電場的S分量為E在與入射平面垂直的光軸方向上的分量，P分量為E在入射平面上的分量。入射平面包含光線傳播向量和表面在入射點處的法向量。需要注意的是：光線在垂直表面入射時，該定義方式會變得模糊。

因此我們可以看出，P和S偏振態的定義與表面相關。如果在表面上添加了鍍膜，則光線透過的比例會根據系統設置中偏振的參考方式不同而顯著變化。

舉例來說，有限距離內的物點發出的光穿過一個鍍膜的平面，該平面鍍膜只允許P光通過。該物點發出的光線具有初始偏振態Jx=0，Jy=1。當參考軸在X或Y軸中變化時，P光和S光的透過率發生顯著變化。這是因為輸入的偏振態Jx和Jy在表面上分別平行于全局X軸和全局Y軸。

然而當參考于Z軸時，Jx和Jy跟隨全局Z軸旋轉變化，因此偏振態沒有改變。

因此，在使用鍍膜改變光的偏振時，您需要注意輸入光參考軸的定義方式。

如您想進行驗證，您可以使用Ideal2或表格鍍膜(Table Coating)格式文件，對P光和S光自定義透過率的實部和虛部。這些格式的鍍膜數據可以非常有效的模擬理想偏振器。此外，您還可以使用優化操作數CODA針對特定偏振數據對鍍膜進行優化。

3、雙折射輸入/輸出

在OpticStudio中模擬雙折射材料的方法于瓊斯矩陣和表面鍍膜不同。如果想要在序列模式下定義雙折射元件，您必須在透鏡數據編輯器中定義兩個表面，即雙折射輸入表面和雙折射輸出表面。在這兩個表面定義的邊界之內，OpticStudio會使用兩種材料，一種以雙折射材料的尋常折射率來定義，另一種以非尋常折射率定義。OpticStudio會使用雙折射輸入面型中定義的材料折射率來定義尋常折射率。隨后OpticStudio會在材料名后添加“-E”并在當前加載的材料庫中尋找該材料，其折射率會用于定義非尋常折射率。

相比瓊斯矩陣，該種方法允許用戶計算菲涅爾系數和材料吸收以得到更加的透過率結果。用戶可以選擇單獨追跡尋常光和非尋常光或只追跡其中一種并考慮另一種對相位的影響。該計算類型是通過雙折射輸入/輸出中的模式 (Mode Flag) 參數來控制。使用雙折射輸入/輸出表面模擬雙折射現象的限制是它不考慮光線分裂。如果您需要考慮光線分裂，請將系統轉換到非序列模式中。