FRED案例 | 偏振模拟与偏振片建模

FRED具备通过光学系统模拟光线偏振的能力。光源可设置为随机、圆或线偏振光，双折射波片、偏振片等能够过滤或控制偏振的光学组件也可准确模拟。

FRED中偏振模拟的典型示例包括吸收二向色性、线栅偏振器、方解石半波片以及马耳他十字现象，这些特性均可进一步应用于液晶显示器、干涉仪和偏光显微镜等复杂光学系统。

偏振片模型构建

以一个简单偏振片系统为例：随机偏振光依次经过虚拟表面、x偏振片和探测表面。相干光源由沿z方向传播的10×10椭圆网格创建，其偏振态由椭圆率、旋转方向和椭圆偏振角共同定义。虚拟表面与探测表面均为椭圆平面，采用“Absorb”涂层和“Halt All”光线追迹控制，并分别分配分析面。

偏振片的两种模拟方法

第一种方法较为简便：为表面添加偏振涂层。在FRED涂层分类中右键选择“Create a New Coating”，在下拉菜单中选择“Polarizer/Waveplate Coating (Jones Matrix)”，本例选用“X Linear Polarizer”并分配到偏振片表面。

第二种方法更为准确，采用自定义材料模拟基于吸收的偏振。在材料分类中右键选择“Create a New Material”，下拉菜单选择“Sampled Birefringent and/or Optically Active Material”。用户可为每个晶轴定义不同的实数和虚数折射率，本例晶轴位于本地+X方向（1,0,0）。

吸收二向色性x偏振片可用no=1.61、ne=1.65、ko=100、ke=0模拟；线栅偏振片可用no=1、ne=1.001、ko=100、ke=0模拟。虚数折射率代表吸收，偏振的O光分量（垂直于晶轴）被吸收，仅保留沿+X晶轴的偏振分量。

偏振点图分析

为监测光通过系统后的偏振状态，可使用分析面生成偏振点图。运行光线追迹后，进入Analysis / Polarization Spot Diagram，分析面上每条光线的偏振将以带旋向箭头的椭圆标记。若分析面z轴与光线传播方向一致，将大拇指对准光线传播方向并应用右手定则，即可确定旋向。

如预期所示，光源光线具有随机偏振态；经过x偏振片后，偏振点图证实只有x偏振分量穿过偏振片，y偏振分量被吸收。在任意偏振入射条件下，探测器收集约50%的入射光功率。

FRED通过偏振涂层与自定义双折射材料两种方式，为偏振片及更复杂偏振光学系统提供了灵活的建模手段，结合偏振点图可直观验证偏振状态变化。