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偏转棱镜（沃拉斯顿棱镜）的ZEMAX仿真

2021-12-15 09:45| 发布者：Davis| 查看：1271| 评论：0|原作者: 静水流深光学

摘要：本文介绍了广泛应用于精密加工和测量等领域的偏转棱镜——沃拉斯顿棱镜，并详细介绍了其原理和制作过程。通过ZEMAX仿真，展示了沃拉斯顿棱镜的模拟结果。文章还涵盖了一些相关的知识，如双折射、晶体光学等。

沃拉斯顿棱镜的ZEMAX仿真

沃拉斯顿棱镜是偏转棱镜的一种，在光刻照明，双频激光干涉仪等精密加工，测量等领域应用非常广泛。其可以产生两束彼此分开，振动方向相互垂直的线偏振光，由两个直角棱镜胶合组成。棱镜棱镜材料多为方解石。

方解石其化学成分是碳酸钙，敲击方解石会得到很多方形的小碎块，这也是其名字“方解石”来源。

其可以产生两束彼此分开，振动方向相互垂直的线偏振光，这一原理，需要首先了解下，双折射这个名词。

双折射是一束光入射到各向异性的晶体时，分解为两束光，并且沿着不同方向折射，传播速度不同，偏振方向垂直，折射率不等。晶体的各向异性表现在其折射率与光波振动方向有关。这两束光中一条满足折射定律，称为寻常光，o光，一条不遵守是非常光，e光。o光传播速度固定，e光传播速度与传播方向有关，沿着晶体光轴方向传播时候，二者传播速度一致。重影就是就是最好的表征。

偏振棱镜就是利用晶体双折射现象制作的偏转器件，这里介绍的沃拉斯顿棱镜就是其中的一种，其余常见的还有沃拉棱镜，尼科尔棱镜等。

当一束很细的自然光垂直入射到AB面上时由第一块棱镜产生的o光和e光不分开，但以不同的速度前进。由于第二块棱镜的光轴相对于第一块棱镜转过了90°，因此在界面AC处，o光和e光发生了转化。在第一块棱镜中的o光，在第二块棱镜中却成了e光。由于方解石的no>ne，这样o光通过界面时是从光密介质进入光疏介质，因此将远离界面法线传播；而e光通过界面时是从光疏介质进入光密介质，因此将靠近界面法线传播，结果两束光在第二块棱镜中分开。这样经过CD面再次折射由沃拉斯顿棱镜射出的是两束按一定角度分开，光矢量互相垂直的线偏振光。

这些基本上都是工程光学里面的知识了，大家有不懂的可以进行自我学习，接下来就是利用ZEMAX进行沃拉斯顿棱镜的模拟仿真了。

首先，这里介绍下采用的双折射面型，包括双折射输入与双折射输出（Birefringent in/out）。

（1）双折射入/出的面可以是平面，球面，二次非球面或者柱面。

（2）在zemax中材料为“Calcite”就是方解石。

（4）Par2-Par4是描述晶体光轴的方向余弦，比如设置（0，1，0）是y轴。

（3）Par1是模式，表示追迹寻常光还是非常光，0是寻常光，1是非常光。

其次，在编辑过程中需要的一些注意事项。

（1）由于使用了坐标间断面，所以在设置过程中，需要注意偏心与旋转；

（2）定义口径问题，需要制作成方形的棱镜，所以需要固定半口径与在属性中设置矩形孔径。

（3）比较关键的一点就是，o光进入棱镜后半部分的时候，变成了e光，此时模式Par1需要设置。

最终的结果如下图所示：

这种晶体使用的非常普遍，在很多地方都可以购买到。

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