如何在ZEMAX中模拟偏振

　　进行光学设计时，在某些特殊情况下需要考虑光的偏振性，偏振是指横波的震动方向偏于某些方向的现象。光主要有3种偏振结构：直线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。直线偏振光又称平面偏振光，该偏振光在垂直光线传播方向的任一固定平面内随时间的延续，光振动只改变大小，不改变方向；圆偏振光是指在垂直于光传播方向的一固定平面内，随时间的延续，光振动只改变方向，不改变大小；椭圆偏振光是指在垂直光传播方向的一固定平面内，随时间的延续，光矢量不但改变大小，同时也改变方向。

　　在垂直光传播方向的平面里，振动方向可以取一切可能的方位，没有一个方向较其他方向更占优势，光矢量的振幅也可以看成是完全相等的，这种光矢量对于光的传播方向是对称而又均匀分布的光一般称为自然光，又称非偏振光。经常遇到的光，除了自然光和偏振光外，还有一种介于两者之间的部分偏振光。假设Imax为部分偏振光沿某一方向上具有的强度最大值，Imin为其垂直方向上所具有的强度最小值，通常用

　　P=（Imax-Imin）/（Imax+Imin）

　　来度量偏振的程度，P称为偏振度。

　　在ZEMAX中分析偏振时需要定义入射光的偏振态，在ZEMAX中主要是用琼斯向量（Jx,Jy）来定义X和Y方向上不同的初始相位和强度。在ZEMAX中可以在系统参数设置的Polarization中设置Jx, Jy, X-Phase和Y-Phase，设置完成之后就定义了入射光线的初始偏振状态。如我们想要输入的初始偏振状态为圆偏振光，只需要令Jx=Jy=1, X-Phase=90或Y-Phase=90，即可得到圆偏振光，如图1。

　　因为电场具有Ex, Ey, Ez三个分量，因此在没有入射平面的情况下，很难定义S偏振和P偏振，因此要定义光线从光源发射沿方向向量K在自由空间传播的S和P分量，需要先定义一个参考基准。在Method中，有X轴参考，Y轴参考和Z轴参考：

　　X轴参考：P=K×X，S=P×K

　　Y轴参考：P=K×S，S=Y×K

　　Z轴参考：P=K×S，S=K×Z

　　使用这种方法可以在输入偏振态时拥有多种选择。

　　图1 系统性能中设置偏振状态

　　在ZEMAX中输入偏振态的另一种选择是使用分析菜单下的Polarization中的偏振光线追迹或偏振光瞳图，如图2。

　　图2 分析菜单下设置偏振

　　在偏振光线追迹和偏振光瞳图中，同样是通过输入琼斯向量来定义光线的偏振状态，如图3。

　　图3 偏振光线追迹（左）和偏振光瞳图（右）

　　使用偏振光瞳图能够快速直观的查看某一表面的偏振状态，需要注意的是该分析结果与实际的结果有细微的偏差。

　　使用以上两种方法可以在ZEMAX中定义入射光的偏振状态，那么如何在光学系统中模拟玻片？在ZEMAX中具有一个面型为Jones Matrix，该面型为琼斯矩阵面型，可以通过使用该面型，并设置矩阵中的值来模拟玻片，下面为几种玻片使用琼斯矩阵的模拟方法，如图3。

　　图4 琼斯矩阵

收藏