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ZEMAX软件技术应用专题:在薄膜計算中Ray以及Field系数是什麼?

wavelab86 来源:wavelab86 作者:wavelab86 2022-11-21 09:17 次阅读

作者:Mark Nicholson

译者:Michael Cheng

摘要:在Zemax OpticStudio中计算考虑偏振并通过薄膜的光线追迹时,OpticStudio回报的反射、穿透以及相位资料是以 “ray” 以及 “field” 係数表示的。这些是什么?他们有什么不同?以及我应该使用哪一个?

什么是Field以及Ray係数

常常使用者在这个主题上会有一些混乱,因为薄膜理论以及相关的设计软体程式,通常以不同的观点来处理这个问题,而这个观点与光线追迹的程式有很大的不同。在薄膜光学中,我们通常处理光的场 (field),一般来说即是所谓的平面波。然而,光线的处理方式在本质上有很大不同,光线是局部的、无限小的且带有能量的一点,拥有位置以及传播方向等资讯。光线所看到的世界与薄膜的世界是不同的。

举例来说,让我们探讨一下 “光线与表面交会于一点” 这个概念。在一个没有镀膜的光学面上,定义一条光线可以非常简单:

poYBAGN60bGAS06eAACXt2Qmcnc048.png

但是,现在让我们思考另一个状况:四分之一波长厚度的膜层 (我们另外设定一个0.25倍波长厚的物件,位于前述物件表面之上)。如果我们放大来检视这个四分之一波长物件的话,我们会看到:

poYBAGN60bOAVgMhAAEM72uBoII625.png

现在,在这个图中,我们有了几个疑问:

(1) 入射的光线交会于这个表面的 “哪裡”?

(2) 光线在 “哪裡” 分裂的?

(3) “哪一条” 光线是入射光? “哪一条” 是反射光?又 “哪一条” 是穿透光?

上面图表描绘了用 “场 (field)” 来处理薄膜光学的概念。某个角度的一道入射平面波会在下面两个介面中反覆交错无数次:空气到膜层介面以及膜层到基板介面。在每一次的交错中,就相应产生一道穿透以及一道反射光场,最后这些光场会在同调的假设下相加。经过一番如魔术般建设性以及破坏性干涉后,最后的结果可以用巨观的反射以及穿透係数来表示。入射光的电场并非用单一个点来描述,相对的,我们会假设该电场比多重光束干涉发生的区域更大许多。

在Zemax OpticStudio中,我们使用field係数来表示这个结果,这些係数已经被薄膜膜层的程式验证过许多次。薄膜理论的惯例是计算平面法向量方向上的相位变化,这表示其假设了一个虚拟的平面波从薄膜最外层一路传播到基板。这个惯例暗示了相位变化在正向入射上为最大,并且随着入射角变大、相对应余弦值变小而相位变化也渐渐变小。但光线追迹上,我们是使用不同的方法来描述的。

光线追迹的处理方式是如同上面第一张图表的。过程中只有叁条光线:入射、穿透以及反射。你可以随意的放大检视,永远只有叁条线。膜层本身不用光线追迹来处理,而用不同的函数来操作。

对于光线追迹,光学相位的超前或延迟都是沿着光线观察的。Zemax OpticStudio直接追迹光线到基板的位置,忽略中间的膜层及其厚度。膜层被假设镀在基板表面之前。正确计算光线的相位需要把电场逆向传播到薄膜起始的位置,并且修正薄膜的相位计算方式为沿着光线方向,而不是表面法向量方向。Zemax OpticStudio把这些称之为 “ray” 係数。因为光路径长是沿着光线方向计算的,并且光线长度在薄膜中会随着角度增加,因此光线的相位会以 1/cos(theta) 的变化方式近似,这样才是增加膜层相位的光路径长时,正确表示方式。

请注意Zemax OpticStudio在偏振追迹中,会同时回报 “ray” 以及 “field” 两种係数,因而使用者可以同时查看两者。当使用者需要增加膜层相位到光路径长时,就使用ray係数。而当使用者要与薄膜程式交叉比对时,则field係数可以让这个步骤变得较为方便。请注意不论使用哪一个计算方式,S与P偏振的相位差都是一样的

Ansys Zemax国内可靠代理商

光研科技南京有限公司是国内可靠的光学软件和仪器光电供应商,提供企业定制化上门培训服务,承接各类光学设计项目,并有一系列自主编写出版的光学设计书籍。公司拥有一支高素质、高水平、实战经验丰富的管理,销售以及研发团队,从成立到现在已经为广大企业,研究所以及高校提供了很多优秀的产品和服务,是光电圈内值得信赖的企业。追光逐梦,研以致用!以用户的需求为起点,为客户提供有价值的光学产品和服务一直都是光研科技南京有限公司的宗旨。

审核编辑 黄昊宇


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