OpticStudio偏振分析功能

OpticStudio有多种分析模拟偏振光学器件的功能。这篇文章介绍了每种功能在建模时的特点和合适的使用环境。

产生偏振光源

所有OpticStudio中的偏振分析都需要定义输入光的偏振态，通常情况下这些分析使用琼斯向量 (Jx, Jy) 来表示X和Y方向上不同起始相位的偏振分量。在OpticStudio中有两种输入光偏振态的方法。种是在每个独立的分析功能中设置明确的输入偏振态（Jx, Jy, X/Y起始相位），例如偏振光线追迹 (Polarization Ray Trace) 和偏振光瞳图 (Polarization Pupil Map)。

第二种方法是在系统选项 (System Explorer) > 偏振 （Polarization） 标签下进行定义。这里定义的偏振态将应用于所有包含并勾选了“使用偏振 (Use Polarization) ”选项的分析和计算中。

系统选项对偏振态的定义方法需要将输入的二维琼斯矩阵转换为三维的电场向量 (Ex, Ey, Ez)。如果我们将Jx考虑为电场在S偏振方向的分量，将Jy考虑为电场在P偏振方向的分量，则在没有入射平面的情况下这种定于会变的很模糊。

这表示，如果要定义光线从光源发射沿方向向量K在自由空间中传播时的P和S分量，则需要先定义一个参考基准。在OpticStudio中，您可以使用如下参考：

X轴参考：向量P由K叉乘X决定，向量S由P叉乘K决定（默认选项）

Y轴参考：向量S由Y叉乘K决定，向量P由K叉乘S决定

Z轴参考：向量S由K叉乘Z决定，向量P由K叉乘S决定

需要注意的是：向量S，P和K（传播方向）是相互正交的，如下图所示，它们分别用红色、蓝色和绿色箭头表示：

这种方法可以为您在定义输入偏振态时提供更多选择。默认的入射平面与Z轴垂直，所以传统的S和P的定义方法限制用户无法定义Z轴参考的偏振态。

偏振光瞳图

偏振光瞳图功能是OpticStudio中实用的一种快速查看光学元件表面偏振态的方法。但需要注意的是，该分析结果和实际情况确实存在细微的偏差，因此在使用该分析结果时请格外注意。

通常情况下，OpticStudio中的计算与时间无关（例如在稳态系统中的一个瞬间）。然而，在偏振光瞳图并不是这样的，它会在笛卡尔坐标图中显示出特定表面处的电场向量 (Ex, Ey) 的端点在一个时间周期内的轨迹。这是由于相位不同造成了偏振椭圆方向不同。对于大多数计算，OpticStudio分析偏振椭圆时是沿时间轴的正向还是反向并不重要，这是因为我们假设系统为稳态系统。在默认设置下，分析计算都是沿时间轴正向的（光线即将入射到特定表面的时候）。

此外，在您定义Jx和Jy的初始相位偏移时，在X-面 (X-Phase) 或Y-面 (Y-Phase) 中输入的正值都会使Jx相对Jy延后。例如，定义X-面为90°且Y-面为0°，这会导致Ex电场分量相对Ey电场分量咽喉90°，如下图所示：

假设 (Jx, Jy) = (0.707, 0.707)，则偏振椭圆为顺时针的圆环，我们可以在偏振光瞳图中查看这一结果，如下图所示：