研究光菱形模拟的光的极化

2019年2月27日

在分析光学设计时,必须不仅要考虑光强度,而且要考虑极化。仔细操纵光两极化可以通过从不需要来源中滤除光线来大大提高图像质量,例如,以最大程度地减少眩光。了解光极化以及如何操纵它的一种有用方法是通过领轮。借助ComsolMultiphysics®软件,工程师可以建模领角液和类似元素对光学系统中光偏振的效果。

线性和圆形的光线操纵

在1800年代初期,以其在光学领域的研究和发明而闻名的奥古斯丁 - 简·菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel)是第一位将光线形容为线性,圆形或椭圆极化的科学家。在线性极化平面电磁波中,电场的两个横向组件相互相相。我们可以将这些组件视为正弦或余弦函数,它们在相同位置达到最大值,并且在同一位置也达到零。以下图显示了线性极化波。波本身的电场以黄色显示,而X- 和y- 组件分别以红色和绿色显示。

线性极化的平面电磁波的图。
线性极化平面电磁波。

将线性极化波与下面所示的圆极化波进行比较。在这里,X- 和y- 电场的组分在大小上等于,但被90°相延迟所抵消。因此,当一个组件达到最大值或最小值时,另一个组件为零。净效应是,这两个组件的总和具有螺旋状的形状,因此名称为“圆极化”。

平面电磁波的图像,该图是圆极化的。
圆极化平面电磁波。这X- 和y- 组件分别以红色和绿色显示。传播的方向为蓝色,总电场幅度为黄色。

菲涅尔(Fresnel)发现线性和循环极化的辐射支持他的假设是光是纯粹的横向波(没有纵向分量),这意味着电场和磁场的振荡始终垂直于繁殖方向。通过进一步研究光的极化,他能够解释说,光的总内部反射(TIR)不会像以前认为的那样使入射线性偏振光去极化,而是将其更改为椭圆形或圆形极化光。TIR的圆形光线的产生可以通过平行的玻璃平行地进行方便地证明,其中光在两个相反的面上经历TIR,这是一种现已称为壁炉架菱形的设置。

一个菲涅耳菱形是一种操纵光的极化的玻璃棱镜。入射光与发射机平面以45°角线性极化。然后,光在两个不同的面上经历了TIR。TIR的每个实例在电场成分之间导致相位延迟在发射机平面和垂直于其的偏振之间,总相延迟为90°。因此,外向的光是圆两极化的。

通过使用comsolMultiphysics®和附加组件射线光学模块,工程师可以通过光学系统传播光线时预测光的极化。这是因为射线光学模块使用Stokes -Mueller演算记录光强度和极化,或者简单地记录Mueller演算,可以完全代表任何极化状态。在下一部分中,让我们看一下一个教程模型,该教程模型表明光从线性地变为圆形极化,以特定的发射角在菲涅耳菱形中变化。

用comsolMultiphysics®对领轮建模

菲涅耳菱形几何形状是平行ip缩的形状的简单的未涂层玻璃棱镜。下面给出了几何图的简单图。

平行静液形状的菲涅耳菱形几何形状的示意图。

线性极化光(1)进入棱镜(2)。该光线与入射率平面线性偏振45°,即位于屏幕上的电场的成分,垂直于其具有相等的幅度,并且它们处于相位。棱镜有一个角度(θ)如果正确设置,则在TIR的每个实例(3和4)中,将导致正交电场组件之间的45°相延迟。然后,光然后退出棱镜(5)。外向光(6)现在是圆两极化的。屏幕上的电场的组件和垂直于其的组件仍然具有相等的幅度,但现在它们过时90°。

TIR在未涂层的表面上引起的相延迟的确切值取决于表面两侧的折射率n1n2,在入射角,θ。这些数量与相延迟之间的关系可以从Snell的定律和菲涅尔方程中得出。(有关方程式的更多详细信息,您可以检查菲涅耳菱形模型文档

2 \ times \ textrm {atan} \ left(\ frac {\ cos \ theta \ sqrt {\ sin^2 \ theta - \ lest(n_2/n_1 \ right)^2}}}= 45^{\ circ}

该模型由两项研究组成。首先,价值θ这给出了所需的相位延迟为45°。然后,该角度用于定义射线光学仿真的几何形状。

研究1:解决入射角

首先,您可以使用全球ODES和DAE界面以求解上述方程式的入射角δ= 45°s- 和p- 在每个TIR期间的极化组件,以折射率的比率n= 1/1.51。(即使该方程不是普通的微分方程或差分 - 代数方程,您仍然可以使用此接口来求解它。)θ在此示例中为0.84855弧度或〜48.618°。

研究2:追踪光线的路径

接下来,您可以使用几何光学元件界面以通过菲涅耳菱形跟踪灯光的路径,因为它以由该铅射线进行了tir的距离全球ODES和DAE界面。请注意,在此阶段,射线是线性极化的,其极化方向与入射率平面成45°角。

从研究1获得的入射角值(0.84855弧度)可用于设置菲涅耳菱形的模型几何形状,这是一个平行四边形挤出到3D几何形状中。首选使用3D几何形状,因为它有助于说明射线极化的状态,因为3D射线轨迹情节可以显示极化椭圆。在此步骤中,沿每个射线轨迹计算的Stokes参数用于描述射线线性或圆形极化的程度。

评估模拟结果

现在,让我们仔细研究上述的模拟结果射线轨迹阴谋。在下面显示的该图中,线性射线从棱镜的左侧进入。颜色说明了沿着射线的光路径长度,沿射线路径的圆圈和椭圆形显示了极化。沿每个圆/椭圆形的周长箭头显示瞬时场矢量的旋转感。

随着光穿过菲涅耳菱形,线性极化射线在一个TIR后变为椭圆极化。两个TIR之后,极化椭圆变为圆,这意味着光是圆极化的。

在ComsolMultiphysics®中的领轮中的射线繁殖图。
在领轮中的射线繁殖。

在这个摄像头角度,可能并不明显表面圆形的光是圆形的。但是,通过在图形窗口中旋转3D图,您可以看到光从线性到椭圆形变为圆极化。

动画在线性两极化时显示出富栓菱形中的入射光(δ= 0),一次反射后椭圆极化(δ= 45°),两次反射后圆两极化((δ= 90°)。

您可以通过绘制该比例来以另一种方式可视化这种两极分化Stokes参数,其结果显示在下面。首先,射线是线性极化的,比率为零。在第一个TIR之后,该比率具有零和1之间的幅度,表明椭圆极化程度不同。然后,在第二个TIR之后,幅度几乎完全统一,与圆极化变得更加对齐。

图形绘制Stoke参数是光路长度的函数。
第四和第一斯托克斯参数的比率是光路长的函数。

下一步

要尝试在此博客文章中使用的富卫伦龙模型,请单击下面的按钮。然后,在应用程序库中,您可以下载此示例和随附的MPH文件的分步文档。

菲涅耳菱形教程的自然扩展是在棱镜表面涂上薄介电涂层。介电涂层会影响界面处的菲涅尔系数;因此,它们可以影响面内部和平面外电场组件之间的相位延迟。一个例子是TIR薄膜出色的相变(TIRTF-aps)。它使用薄膜来抵消玻璃中折射率的频率依赖性,从而使外向光保持在各种波长的循环极化。

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