SITE ZHANG,1,2,*CHRISTIAN HELLMANN,2 AND FRANK WYROWSKI1
1Applied Computational Optics Group, Institute of Applied Physics, Friedrich Schiller University Jena, Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena, Germany
2Wyrowski Photonics UG, Kahlaische Straße 4, 07745 Jena, Germany
*Corresponding author: site.zhang@uni‑jena.de
Received 8 March 2017; revised 29 April 2017; accepted 3 May 2017; posted 3 May 2017 (Doc. ID 290298); published 19 May 2017
Received 8 March 2017; revised 29 April 2017; accepted 3 May 2017; posted 3 May 2017 (Doc. ID 290298); published 19 May 2017
通過(guò)使用平面波譜分析以及S矩陣方法，我們研究了一般電磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)由各向同性介質(zhì)或者各向異性介質(zhì)構(gòu)成的光學(xué)層狀結(jié)構(gòu)的傳播。我們還開(kāi)發(fā)了一種基于快速傅里葉變換技術(shù)的算法，具有數(shù)值高效的采樣規(guī)則。通過(guò)將此算法與其它系統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合，我們展示了一些仿真案例，如經(jīng)過(guò)一個(gè)各向同性法珀標(biāo)準(zhǔn)具的光場(chǎng)傳輸以及具有任意方位和光軸方向的單軸晶體平板的光場(chǎng)傳輸。
OCIS codes: (260.0260) Physical optics; (260.2110) Electromagnetic optics; (260.1440) Birefringence; (230.4170) Multilayers.
https://doi.org/10.1364/AO.56.004566
1.引言
由平行平面構(gòu)成的光學(xué)層在光學(xué)中廣泛應(yīng)用。層狀結(jié)構(gòu)可以用作許多不同情況的模型，像平板和標(biāo)準(zhǔn)具。基于這個(gè)事實(shí)，光與層狀結(jié)構(gòu)相互作用的主題一直引起大家的注意并且對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。
在這類(lèi)研究中，大多數(shù)觀點(diǎn)都側(cè)重于平面波，然而僅僅少數(shù)的研究使用了平面波譜方法（SPW）來(lái)考慮一般的電磁場(chǎng)。例如，參考文獻(xiàn)[1-6]中研究了各向同性-各向同性的界面上，高斯光束的反射率和透射率；在參考文獻(xiàn)[7-11]中研究了各向同性層或者平板的情況；參考文獻(xiàn)[12-22]討論了各向同性-各向異性界面的情況，在參考文獻(xiàn)[23-26]中則討論了各向異性層或者平板的情況。
上面所提到的許多研究都用于特定的研究主題，像[1,3,5]中研究了高斯光束全內(nèi)反射的橫向偏移，并且他們常常關(guān)注于具體的配置。因此，將這些方法推廣到更一般的情況的可能性受到了限制。
在這篇文章中，我們從一個(gè)更一般的觀點(diǎn)來(lái)考慮此問(wèn)題。光學(xué)層幾乎不會(huì)單獨(dú)使用；相反，他們常常是一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的一部分并且和其他的元件一起使用，如圖1中所示。基于此事實(shí)，我們遵循場(chǎng)追跡的概念[27]，并使用不同的場(chǎng)追跡算子組合[28-32]，如圖1中所示，以對(duì)一個(gè)包含了層介質(zhì)元件的系統(tǒng)進(jìn)行物理光學(xué)模擬。考慮到模擬是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而不是單個(gè)元件，仿真層結(jié)構(gòu)必須與系統(tǒng)的前后部分相連接。這要求我們傳播步驟（圖1中的P）進(jìn)行適當(dāng)?shù)目紤]，將前一個(gè)元件的輸出連接到當(dāng)前元件的輸入，并將當(dāng)前元件的輸出傳遞到下一個(gè)元件。一般情況下，這樣的傳輸步驟會(huì)出現(xiàn)在平行或者非平行平面之間。在參考文獻(xiàn)[28,29]中已經(jīng)提到了平行平面間幾種有效的傳輸方法，在參考文獻(xiàn)[33]中則可以找到對(duì)非平行平面間傳輸?shù)囊粋�(gè)詳細(xì)的討論。在這篇文章中，我們不會(huì)研究傳輸步驟，但會(huì)關(guān)注層狀結(jié)構(gòu)的元件算子C。
此外，從數(shù)值計(jì)算的觀點(diǎn)出發(fā)，為了執(zhí)行一個(gè)連續(xù)且有效的系統(tǒng)模擬，要求元件算子C
正確地處理采樣場(chǎng)數(shù)據(jù)并和其他的算子以一種統(tǒng)一的格式傳遞場(chǎng)數(shù)據(jù)；
優(yōu)化數(shù)值計(jì)算的效率。
考慮到上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們開(kāi)發(fā)了一種具有自動(dòng)數(shù)值采樣規(guī)則的SPW方法。與之前一些利用積分方法對(duì)空間和角譜相關(guān)的傅里葉變換進(jìn)評(píng)估的研究相比（如參考文獻(xiàn)[23]中的二維中點(diǎn)規(guī)則和參考文獻(xiàn)[12-14，20，25]中的Stamnes–Spjelkavik–Pedersen方法[34]），我們使用了快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)，此技術(shù)在大部分?jǐn)?shù)值軟件包中容易訪問(wèn)并且效率高。再加上在角譜域中經(jīng)過(guò)深入考慮的數(shù)值采樣規(guī)則，我們的方法具有一般適用性，對(duì)層元件和入射場(chǎng)沒(méi)有任何限制。因此，此算法可以直接包含在一個(gè)物理光學(xué)系統(tǒng)模擬之中。
圖1.結(jié)合使用不同的場(chǎng)追蹤算子來(lái)模擬光學(xué)系統(tǒng)： C是元件算子，P是相鄰元件之間的傳輸算子。
2.理論
如圖2所示，層狀結(jié)構(gòu)分別由兩個(gè)位于  和  的平行平面構(gòu)成。  和  的區(qū)域充滿了復(fù)折射率為  和  的均勻各向同性介質(zhì)。參考文獻(xiàn)[27]中表明使用橫向分量Ex和Ey已足夠表征均勻各向同性介質(zhì)中電磁場(chǎng)了。因此，我們可以使用以下表達(dá)式來(lái)描述此問(wèn)題：
其中，分別在平面 和 處定義輸入和輸出橫向電場(chǎng)矢量，（兩者位于界面的數(shù)學(xué)位置，但總是認(rèn)為在均勻介質(zhì)的一側(cè)），由下式給出
其中  。方程（1）中的元件算子是一個(gè)2x2的矩陣形式，
圖2.層狀結(jié)構(gòu)分別由兩個(gè)位于 和 的平行平面構(gòu)成。 和 的區(qū)域由均勻各向同性介質(zhì)填充，其折射率分別是 和 。輸出場(chǎng)和輸出場(chǎng)在層表面進(jìn)行定義，但總是在相應(yīng)的各向同性介質(zhì)的一側(cè)。
在這章節(jié)，我們的目標(biāo)是找到C的精確的形式，以連接層介質(zhì)元件的輸入和輸出場(chǎng)。為了研究與層結(jié)構(gòu)的相互作用，我們對(duì)輸入橫向場(chǎng)分量進(jìn)行了一個(gè)傅里葉變換，并獲得了
其中  , F表示二維傅里葉變換，
 。逆傅里葉變換定義如下
方程（6）中的積分可以解釋為將  分解為具有不同橫向波矢分量κ的平面波。因此，在我們的情況下，每個(gè)輸入平面波都可以單獨(dú)處理——我們首先計(jì)算每個(gè)輸入平面波的輸出，然后進(jìn)行求和從而獲得輸出場(chǎng)。
此外，根據(jù)邊界條件對(duì)電磁場(chǎng)施加的連續(xù)性要求，可以顯示出一個(gè)給定的輸入平面波在與層結(jié)構(gòu)相互作用的過(guò)程中其橫向波矢分量κ必定保持不變。同樣可以顯示出，通過(guò)疊加原理的有效性，不同的κ之間沒(méi)有耦合。因此，對(duì)于輸出角譜，我們可以寫(xiě)下
其中
公式（8）中分別是透射和反射系數(shù)矩陣。為了計(jì)算T(κ) 或者R(κ)，我們選擇使用數(shù)值穩(wěn)定S矩陣方法。為了計(jì)算S矩陣，首先必須確定每個(gè)各向異性層的平面波。基于文獻(xiàn)[35]中Berreman的4x4矩陣公式，Landry和Maldonado開(kāi)發(fā)并展示了一種數(shù)值友好的形式，見(jiàn)參考文獻(xiàn)[23]。我們采用了他們的方法，對(duì)于每一層，求解了參考文獻(xiàn)[23]中由方程（28）所描述的特征系統(tǒng)的特征值和特征向量。
不同于[23，25]中直接使用本征解來(lái)構(gòu)建一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，另外，我們還需要根據(jù)他們的傳輸方向整理出平面波，這是為計(jì)算S矩陣所做的一個(gè)必需的準(zhǔn)備。為此，我們遵循[36]中4.3部分由Li所提出的標(biāo)準(zhǔn)。
然后可以應(yīng)用遞歸S矩陣公式。我們?cè)谶@篇文中不再重復(fù)給出已發(fā)展成熟的S矩陣方法，讀者可以參考文獻(xiàn)[37]中的方程（5）-（8）以獲得更多的信息。在我們的情況中，由于沒(méi)有反向傳輸輸入場(chǎng)，我們僅對(duì)正向透射或者反向反射感興趣，因此這篇文章中的矩陣系數(shù)T(κ) 和R(κ)對(duì)應(yīng)于[37]中方程（5c）或者（5d）中的子矩陣T_uu 或者R_du。
一旦獲得了矩陣系數(shù)，通過(guò)方程(7)即可獲得輸出角譜。對(duì)輸出角譜進(jìn)行一個(gè)逆傅里葉變換，我們獲得了輸出橫向場(chǎng)矢量
通過(guò)聯(lián)合方程（4），（7），（9），我們可以寫(xiě)出從輸入場(chǎng)到輸出場(chǎng)整個(gè)計(jì)算流程，如果
我們以透射的情況作為例子，則
因此，方程（1）中元件算子C的精確形式如下
通過(guò)使用系數(shù)矩陣R(κ)代替 T(κ)，可以獲得反射情況的表達(dá)式。
3.算法
按照方程（10）的順序，我們可以應(yīng)用一種數(shù)值算法以計(jì)算場(chǎng)經(jīng)過(guò)分層介質(zhì)元件的傳輸。讓我們從橫向輸入場(chǎng)矢量  和  ，以圖3（a）中的均勻網(wǎng)格進(jìn)行采樣。這種網(wǎng)格定義為  ,其中  和  作為索引數(shù)，δx和δy是x方向和y方向的采樣距離。初始采樣參數(shù)應(yīng)該受到合適的控制以使他們符合先前算子的奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理。方程（10）中的F為聯(lián)系空間域和頻率域的算子，可以使用不同的數(shù)值方法實(shí)現(xiàn)，像廣泛使用的快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)，以及包含了能夠進(jìn)一步提高數(shù)值效率的半解析傅里葉變換[38]和啁啾z變換[39-41]的更高級(jí)的方法。在此篇文章中，我們使用了FFT技術(shù)，并以此獲得輸入角譜。但我們的算法不受限于該技術(shù)。
圖3.在角譜域定義均勻采樣網(wǎng)格。（a），初始網(wǎng)格定義，5x5采樣點(diǎn)，  和  為采樣距離；（b），使用5x5采樣點(diǎn)，沿垂直方向生成一個(gè)測(cè)試網(wǎng)格， 和  =0.5 為采樣距離；（c）中使用9x5個(gè)采樣點(diǎn)定義了沿水平方向的一個(gè)測(cè)試網(wǎng)格，  =0.5 和 為采樣距離。（（b）和（c）中的實(shí)心點(diǎn)是在（a）的初始網(wǎng)格中出現(xiàn)的共同的采樣點(diǎn)位置，而空心圓環(huán)與初始網(wǎng)格中不一樣的采樣點(diǎn)。
其中角譜域中的均勻網(wǎng)格定義為  ，其中 和 為Kx和Ky的采樣距離。利用FFT計(jì)算的結(jié)果，在兩個(gè)域中的采樣點(diǎn)是一樣的，因此我們有  。
接下來(lái)，將輸入角譜乘以系數(shù)矩陣，然后我們可以獲得輸出角譜場(chǎng)，例如，對(duì)于透射
角譜  的采樣通過(guò)傅里葉變換關(guān)系自動(dòng)確保。然而，  的采樣沒(méi)有必要進(jìn)行確保，因?yàn)樗麄儼讼禂?shù)和輸入角譜之間的點(diǎn)乘。這個(gè)問(wèn)題將在第四部分的案例中進(jìn)行清楚地說(shuō)明。
一般來(lái)說(shuō)，采樣距離 ， 和帶寬  必須進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以確保正確的采樣。在我們的情況中，方程（13）中的運(yùn)算沒(méi)有改變譜范圍。因此，我們僅僅只需要找到合適的采樣距離即可。此問(wèn)題并沒(méi)有解析解，因?yàn)橄禂?shù)矩陣T或者R是通過(guò)遞歸S矩陣方法數(shù)值上獲得的。確保 采樣的唯一方法是實(shí)行數(shù)值測(cè)試。
讓我們?cè)诮亲V域定義一個(gè)測(cè)試采樣網(wǎng)格，如如3（b）或者3（c）所示。測(cè)試網(wǎng)格定義為  ,其中  為指數(shù)；為了不改變角譜范圍，要求  。與初始網(wǎng)格相比，它也需要進(jìn)行細(xì)化，這意味著  。
一方面，我們以一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆绞絹?lái)計(jì)算測(cè)試網(wǎng)格上的輸出橫向角譜分量。由于輸入橫向角譜分量的合適采樣，根據(jù)需要可以進(jìn)行插值，例如，在測(cè)試網(wǎng)格上，我們獲得
其中“INTRPL”代表的是數(shù)值插值運(yùn)算。為了在一個(gè)更精細(xì)的網(wǎng)格上嚴(yán)格地獲得輸入場(chǎng)，如方程（14）中，我們總是采用基于FFT的Sinc插值方法，把它們代入到方程（13）中，可以嚴(yán)格地獲得輸出橫向角譜量
另一方面，通過(guò)對(duì)  的插值，我們也可以獲得測(cè)試網(wǎng)格上的輸出橫向角譜量，并將插值結(jié)果表示為  。我們將此過(guò)程描述為
值得強(qiáng)調(diào)的是，在方程（16）中無(wú)需再使用嚴(yán)格的Sinc插值。因?yàn)檫@些結(jié)果僅僅用于評(píng)估一下情況。在這篇文章中，我們使用三次插值。上面的插值沒(méi)必要給出正確的輸出值，因此，在方程（16）的左邊，我們對(duì)那些量使用上標(biāo)“intrpl”。下一步，我們定義
作為插值結(jié)果和嚴(yán)格結(jié)果之間的相對(duì)偏差。只要  在初始網(wǎng)格上的采樣滿足奈奎斯特-香農(nóng)采樣定理，基于他們的插值結(jié)果就不會(huì)對(duì)嚴(yán)格的插值方法表現(xiàn)出一個(gè)大的偏差。在這種情況下，根據(jù)所選的插值方法，兩種結(jié)果的偏差應(yīng)該在數(shù)值誤差級(jí)次，由σ_0表示。使用上述標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)一步步的減小采樣間距來(lái)測(cè)試場(chǎng)采樣，直至σ<σ_0。
以上的測(cè)試過(guò)程對(duì)應(yīng)著一個(gè)循環(huán)，在每個(gè)測(cè)試循環(huán)中都會(huì)執(zhí)行方程（14）到（17）的計(jì)算。為了在每個(gè)測(cè)試循環(huán)中充分地使用測(cè)試數(shù)據(jù)，如方程（15）中的結(jié)果，我們總是使用圖3（b）和3（c）中的測(cè)試網(wǎng)格。這樣規(guī)則的測(cè)試網(wǎng)格定義為
對(duì)每個(gè)循環(huán)內(nèi)，需要對(duì)先前的采樣距離減半。使用這個(gè)測(cè)試網(wǎng)格具有如下好處：當(dāng)計(jì)算  時(shí)，僅僅需要計(jì)算那些在空心圓圈位置處的值，而實(shí)心點(diǎn)位置處的值在之前的測(cè)試循環(huán)中已經(jīng)計(jì)算過(guò)了，并且讓這些值簡(jiǎn)單地進(jìn)行傳輸即可。在這種方式下，這些基于測(cè)試目的所進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算的值不會(huì)被丟掉，而會(huì)作為下一次循環(huán)中的起始點(diǎn)以重新使用。因此，在一個(gè)完整的計(jì)算中所執(zhí)行的是嚴(yán)格的計(jì)算，從而驗(yàn)證合適的采樣，并且這些計(jì)算的值能夠有效地用于構(gòu)建最終輸出場(chǎng)。我們將上面的方法總結(jié)在算法1中。
算法1：通過(guò)合適的采樣控制來(lái)進(jìn)行輸出角譜計(jì)算的數(shù)值流程
1)在初始網(wǎng)格嚴(yán)格地計(jì)算
2)初始化相對(duì)誤差值σ=+∞
3)判斷σ>σ_0， ⊳如果為真，則采樣不合適
4)沿Kx（或者Ky）二等分采樣距離
5)應(yīng)用新的采樣距離定義測(cè)試網(wǎng)格 
6)在測(cè)試網(wǎng)格中對(duì)輸入角譜插值，根據(jù)方程（14）獲得 
7)根據(jù)方程（15），在測(cè)試網(wǎng)格上嚴(yán)格地計(jì)算輸出角譜 
8)根據(jù)方程（16），通過(guò)插值獲得 
9)根據(jù)方程（17），計(jì)算誤差σ
10)如果σ>σ_(0 )  ，則⊳將目前的輸出場(chǎng)設(shè)置為下一次循環(huán)的起始點(diǎn)
11)返回
為了有效地處理非對(duì)稱(chēng)情況，例如，光束在x方向和y方向有不同的發(fā)散角，算法1中的測(cè)試需要按順序沿兩個(gè)方向進(jìn)行。開(kāi)始方向的選擇是任意的，在我們的情況中，我們是沿y方向開(kāi)始測(cè)試的。
4.示例
在VirtualLab Fusion[42]軟件中，我們將第三節(jié)中提出的算法實(shí)現(xiàn)在“可編程元件”的編程界面中。這個(gè)元件可以與VirtualLab Fusion中其它的物理光學(xué)仿真技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合仿真。接下來(lái)，我們展示了四個(gè)案例：前兩個(gè)主要關(guān)注元件本身并以一種嚴(yán)格的數(shù)值方式檢查此算法；后兩個(gè)案例中，元件將用于光學(xué)系統(tǒng)中，例如，此算法與其它仿真技術(shù)一起使用。
在進(jìn)入實(shí)際的案例之前，設(shè)置方程（17）中的迭代終止標(biāo)準(zhǔn)σ_0很重要。對(duì)于在此文中所使用的三次插值，我們預(yù)先檢查了它在一般情況下的表現(xiàn)并在我們的數(shù)值環(huán)境中找到了一個(gè)0.01的基準(zhǔn)值。
A.各向同性標(biāo)準(zhǔn)具
第一個(gè)案例模擬了一個(gè)線性偏振高斯光束經(jīng)過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的傳輸。通過(guò)這個(gè)案例，我們將清楚的指出第三節(jié)中所說(shuō)的采樣問(wèn)題并描述了算法1的工作原理。標(biāo)準(zhǔn)具由熔融石英制成，兩側(cè)有多層薄膜，如圖4所示。關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的更多信息，請(qǐng)見(jiàn)表1。輸入場(chǎng)為波長(zhǎng)633nm，x方向線偏光的高斯光束。其在元件的輸入平面定義為E_⊥^in,且束腰半徑為（2um，2um）。在經(jīng)過(guò)傅里葉變換后，我們獲得其角譜，同樣具有高斯輪廓，如圖5所示。按照方程（10）中的操作算子序列，輸入角譜將乘以透射或者反射率系數(shù)。我們?nèi)砸酝干渥鳛槔樱⑶覍?duì)于線性偏振輸入場(chǎng)，我們使用t_xx和t_yx乘以E ̃_x^in，以獲得輸出角譜分量。
圖4.由熔融石英制成，兩側(cè)有多層膜的標(biāo)準(zhǔn)具。其結(jié)構(gòu)和光學(xué)參數(shù)如表1中所示。
表1 標(biāo)準(zhǔn)具的結(jié)構(gòu)和光學(xué)參數(shù)
圖5 .（a）輸入高斯場(chǎng)分量的振幅；（b）對(duì)應(yīng)的角譜分量。由于輸入光場(chǎng)為沿x方向的線性偏振光，因此僅顯示Ex分量。
如第三節(jié)中所指出，乘積  的采樣不能自動(dòng)得到保證，此案例中將顯示該現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)具由于其頻率選擇功能（頻譜或角頻率）而得到廣泛的使用。在我們的案例中，角頻率選擇可以解釋為系數(shù) txx和 tyx以一種方式調(diào)制輸入角譜，以使特定的角頻率加強(qiáng)而其它的減弱。這種調(diào)制可以出現(xiàn)在一種非常精細(xì)的頻率水平上。因此，需要使用更精細(xì)的采樣以在輸出角譜中解析這樣一個(gè)精細(xì)的調(diào)制。為了獲得需要的采樣間距，我們遵循算法1，圖6中顯示了部分結(jié)果。
通過(guò)圖6和表2，我們根據(jù)算法1中的步驟描述了工作流程，如下：
第一步：從圖6（a）中所示的輸入角譜開(kāi)始，計(jì)算各個(gè)系數(shù)并乘上元件矩陣以生成初始化的輸出角譜；
第二步：初始化相對(duì)偏差σ=+∞；
第三步：開(kāi)始測(cè)試循環(huán)；
第四&五步：將采樣距離沿κ_x或者κ_y方向減半，以定義測(cè)試網(wǎng)格 ，對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)如表2中所示；
第六步：對(duì)輸入角譜在測(cè)試網(wǎng)格上插值；
第七步：在測(cè)試網(wǎng)格上嚴(yán)格的計(jì)算輸出角譜 ，在此例中，對(duì)應(yīng)圖6（e）；
第八步：執(zhí)行插值以獲得 ，在此例中對(duì)應(yīng)圖6（b）-6（d）；
第九步：比較嚴(yán)格仿真和插值結(jié)果，并計(jì)算相對(duì)誤差；
第十步：對(duì)于較差的插值結(jié)果，如6（b）和6（c），表2中的0-3行，其結(jié)果是σ>σ_0，嚴(yán)格的結(jié)果 將會(huì)傳遞給下一個(gè)循環(huán)并用于輸入；否則，返回當(dāng)前的結(jié)果。
圖6.算法1中不同步驟時(shí)沿κ_x方向的一維提取結(jié)果：（a）輸入角譜振幅，（b）-（d），在測(cè)試循環(huán)中的插值角譜振幅以及（e）在最后的循環(huán)中嚴(yán)格地計(jì)算輸出角譜。所有的子圖中的值都縮放到相同的范圍內(nèi)。
從表2中我們也可以看到測(cè)試首先是沿y方向，之后再沿x方向執(zhí)行的，如第三節(jié)的最后所提到的。從第0輪到第4輪測(cè)試，采樣距離δκx并沒(méi)有改變，因此采樣點(diǎn)Mx^，保持不變；在第四輪測(cè)試后σ<σ0，沿y方向的測(cè)試終止，意味著場(chǎng)數(shù)據(jù)已經(jīng)可以從先前一輪的結(jié)果中恢復(fù)。因此，沿y方向的采樣點(diǎn)數(shù)是705，在第四輪中額外的704個(gè)數(shù)據(jù)僅僅是用于測(cè)試目的，對(duì)最終的輸出并沒(méi)有貢獻(xiàn)。然后以一種類(lèi)似的方式沿x方向開(kāi)始測(cè)試并在第11輪終止，同樣，場(chǎng)數(shù)據(jù)可以從先前一輪的結(jié)果中恢復(fù)。因此，最終輸出的采樣點(diǎn)數(shù)固定在2817x705。在表2的測(cè)試輪中，包含的總的采樣點(diǎn)數(shù)是5633x705+45x704，數(shù)據(jù)45x704來(lái)自于沿y方向的最后測(cè)試輪。再次強(qiáng)調(diào)一下，為了在角譜域進(jìn)行合適的采樣，有必要采用如此大的采樣點(diǎn)數(shù)。并且，除了沿x方向或者y方向最后一輪測(cè)試，用于測(cè)試目的而所有嚴(yán)格計(jì)算地值都用于構(gòu)建最終輸出場(chǎng)。
表2 Etalon模擬中每個(gè)測(cè)試輪次中的采樣參數(shù)和誤差
文章中的模擬，使用的是一臺(tái)Intel Core i7-4910MQ處理器,2.9GHz，32Gb物理內(nèi)存的電腦。表2中所顯示的示例所需的總的計(jì)算時(shí)間是118s。注意計(jì)算時(shí)間最多的部分是花在S矩陣計(jì)算上，而最后步驟的傅里葉逆變換僅花了約0.5s。
從表2中也可以看出沿x方向和沿y方向的測(cè)試輪次數(shù)也不一樣，即沿兩個(gè)方向所需的采樣間距不同。因此，我們?cè)谒惴ㄖ懈鼉A向沿每個(gè)方向分別執(zhí)行采樣測(cè)試。
通過(guò)這個(gè)算法，我們獲得了標(biāo)準(zhǔn)具的透過(guò)場(chǎng)，如圖7所示。除了圖7中透射場(chǎng)的尺寸遠(yuǎn)大于圖5中的輸入場(chǎng)，非零輸出場(chǎng)分量  也值得注意，盡管其振幅要遠(yuǎn)小于  。Ex和Ey之間出現(xiàn)的偏振串?dāng)_是由于系數(shù)矩陣T或者R的非對(duì)角形式造成的。從 的振幅分布中，還可以看出精細(xì)的同心圓，這是由于標(biāo)準(zhǔn)具多層結(jié)構(gòu)中發(fā)生的多重反射造成的。
圖7.以任意單位給出的標(biāo)準(zhǔn)具輸出場(chǎng)分量的振幅，（a）：|E_x^out |，（b）：|E_y^out |
B.單軸晶體板
我們的方法對(duì)各向同性介質(zhì)層和各向異性介質(zhì)層都同樣適用。在這個(gè)案例中，我們演示了聚光干涉儀的原理，其可以用于精確的測(cè)量單軸晶體的光軸傾斜角度[43]。當(dāng)使用會(huì)聚單色光照射正交偏振器間的晶體時(shí)，即可產(chǎn)生聚光干涉。圖8中展示了聚光干涉儀的簡(jiǎn)要原理。在我們的模擬中，光源是一個(gè)Ex線性偏振，波長(zhǎng)為633nm，NA=0.25的球面波，在晶體板前20mm。光源將輸入場(chǎng)  傳遞到晶體板的前表面，后表面的輸出場(chǎng)將被分析。在這個(gè)子節(jié)中，我們沒(méi)有討論晶體板元件外部區(qū)域的傳播步驟。
圖8.使用聚光干涉儀測(cè)量光軸的角度。偏振片P1沿x方向，偏振片P2沿y方向，光軸表示為“o.a”。
我們使用聚光干涉儀，測(cè)試了一個(gè)6mm厚的向列液晶板，其光軸與z軸成θ角。其中n_e=1.7，n_0=1.5[43]，設(shè)θ=0°，2°以及5°，我們觀察了晶體板后y方向的輸出場(chǎng)，如圖9所示。當(dāng)θ=0°，晶體的光軸垂直于晶體板表面，同心環(huán)的原點(diǎn)位于中心，如圖9（a）所示；當(dāng)θ≠0°時(shí)，如此例中的圖9（b）和
圖9（c），同心環(huán)的原點(diǎn)相應(yīng)的發(fā)生了橫向偏移。我們?cè)谀M中獲得的值與參考文獻(xiàn)[43]中分析的結(jié)果一致。
圖9.針對(duì)不同的θ值，在晶體板后表面的輸出場(chǎng)分布（振幅平方）。使用沿y方向的偏振片P2分析輸出場(chǎng)，因此僅顯示了E_y分量。紅色的十字標(biāo)出了同心圓環(huán)的原點(diǎn)，為（0，0），（210um，0）以及（525um，0），分別對(duì)應(yīng)子圖（a），（b）和（c）。
為了獲得圖9中的透射場(chǎng)，算法1再次被用于確定采樣距離。為了完整性，表3中給出了θ=5°時(shí)此例中采樣距離的數(shù)值測(cè)試的細(xì)節(jié)。
在表3所顯示的測(cè)試輪次中，包含了3969x1985+63x1984個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)于每個(gè)采樣點(diǎn)，計(jì)算了各向異性S矩陣，耗時(shí)416s。
表3.光軸為5°的單軸晶體板在每個(gè)測(cè)試輪次中的采樣距離和偏差
C.傾斜的各向異性晶體板系統(tǒng)
如第一節(jié)所述，我們開(kāi)發(fā)的算法是系統(tǒng)建模的一部分。在這個(gè)例子中，我們模擬了一個(gè)包含方解石晶體板的光學(xué)系統(tǒng)以研究偏振轉(zhuǎn)換以及渦旋的生成[44]，如圖10所示。因?yàn)槭轻槍?duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，因此在處理過(guò)程使用了幾種不同的場(chǎng)追跡算子[27]：偏振片使用瓊斯矩陣算子，透鏡被當(dāng)作是理想透鏡，到傾斜方解石板表面的光場(chǎng)傳輸使用參考文獻(xiàn)[33]中的技術(shù)，方解石板中的光場(chǎng)傳輸則使用了此文中的方法。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[44]，給出了方解石晶體折射率，其中
其中λ單位為微米。
圖10.包含傾斜晶體板的系統(tǒng)。晶體板材料為方解石，厚度為6mm，光軸在圖中以“o.a.”表示，垂直于晶體板表面。偏振片P1用于生成沿x方向的偏振光，而偏振片P2用于分析。透鏡L1和L2焦距都為30mm。
此例中我們從α=0°開(kāi)始，在系統(tǒng)中幾個(gè)位置的場(chǎng)分布如圖11所示。在偏振片P1前的輸入場(chǎng)為波長(zhǎng)633nm，x方向和y方向束腰半徑1.5mm的高斯光束。經(jīng)過(guò)偏振片P1之后，獲得了一個(gè)沿x方向的線性偏振場(chǎng)。透鏡L1后的聚焦場(chǎng)是方解石晶體板的輸入場(chǎng)。根據(jù)算法1，我們獲得了晶體板后表面的輸出場(chǎng)，如圖11（a）和11（b）。最后，在偏振片P2之后的平面上，我們獲得了系統(tǒng)的輸出場(chǎng)，如圖11（c）和11（d）所示。
圖11.圖10中方解石晶體板及P2偏振片后的場(chǎng)分布（振幅平方），此例中α=0°。
讓我們來(lái)仔細(xì)地觀察一下圖11中所展現(xiàn)的結(jié)果。數(shù)值測(cè)試細(xì)節(jié)在表4中給出。與4A部分的情況相似，由于T或者R的非對(duì)角線形式，沿x方向的線性偏振輸入場(chǎng)為輸出場(chǎng)增加了一個(gè)非零y偏振方向。但此例中單軸晶體板的偏振串?dāng)_相對(duì)更強(qiáng)，E(x )≈E(y ),而在標(biāo)準(zhǔn)具的例子中，E(x )和E(y )的比例大概是1000：1，如圖7（a）和7（b）。這是由于方解石晶體的雙折射性質(zhì)，導(dǎo)致E(x )和E(y )分量之間具有一個(gè)強(qiáng)的耦合。
表4 1.5mm高斯光束入射到單軸晶體板，在每個(gè)測(cè)試輪次中的采樣距離和偏差
P2后的場(chǎng)，如圖11（e）和11（f）所示，與參考文獻(xiàn)[44]中的測(cè)量結(jié)果吻合的很好。除了由雙折射引起的四極結(jié)構(gòu)，我們同樣也看到了疊加在其上的同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)。與圖11的分析類(lèi)似，這些精細(xì)結(jié)構(gòu)是由于板內(nèi)的多重反射造成的。可以在參考文獻(xiàn)[44]中的圖4中看到同樣的影響，盡管實(shí)驗(yàn)測(cè)量的對(duì)比度較低。
下一步，如參考文獻(xiàn)[44]中所展示，我們將晶體傾斜一定的角度α并將輸入高斯束腰設(shè)置為0.5mm，以生成單極光渦旋。模擬中，我們使用[33]中的方法處理非平行板之間的傳輸。通過(guò)這種方式，可以獲得傾斜晶體板表面的輸入場(chǎng)，且傾斜板表面的輸出場(chǎng)可以繼續(xù)傳輸至下一個(gè)元件。模擬結(jié)果如圖12和13所示。當(dāng)α=1.2°時(shí)，可以在表5中獲得采樣距離的數(shù)值測(cè)試細(xì)節(jié)。可以看到，沿x方向和y方向的偏差σ分別在輪次2和5中滿足停止判據(jù)。我們沿兩個(gè)方向繼續(xù)往前迭代一次（標(biāo)記有*）以獲得一個(gè)過(guò)采樣，以為了更好的與之后的非平行平面間的傳播相結(jié)合[33]，這之間的傳播通常需要過(guò)采樣因子為2.
圖12.當(dāng)α=0.8°時(shí)，方解石晶體板和偏振片P2之后的輸出場(chǎng)（振幅平方）
圖12和13再次與參考文獻(xiàn)[44]中的結(jié)果一致。與之前分析α=0°時(shí)的情況類(lèi)似，光渦旋結(jié)構(gòu)是由方解石晶體的雙折射產(chǎn)生的。如圖13（c）和13（d）所示，同樣也可以看到相位錯(cuò)位引起的光渦旋。除了渦旋，圖13（b）中還可以看到環(huán)形的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這是由于晶體板內(nèi)的多重反射造成的。
將表5中的數(shù)據(jù)測(cè)試與之前的進(jìn)行比較，我們可以看到一個(gè)更快的收斂，特別是沿x方向的測(cè)試。包括表5中的所有測(cè)試循環(huán)，經(jīng)過(guò)傾斜的方解石晶體板的傳輸僅使用了大約4s的計(jì)算時(shí)間就完成了，而整個(gè)系統(tǒng)的模擬，包含透鏡，大約是30s的時(shí)間。由于方解石板繞y軸傾斜1.2°，若將晶體板表面作為參考，則對(duì)應(yīng)著一個(gè)輕微的傾斜入射場(chǎng)。根據(jù)傅里葉變換偏移理論，沿y方向的傾斜將導(dǎo)致角譜沿此方向有一個(gè)偏移。因此，透射場(chǎng)的角譜同樣存在沿x方向和y方向的不同調(diào)制。
圖13.當(dāng)α=1.2°時(shí)，方解石晶體板和偏振片P2后的輸出場(chǎng)，其中（a）和（b）為振幅平方的分布，（c）和（d）為相位分布
表5 0.5mm高斯光束入射到傾斜晶體板時(shí)，每輪測(cè)試中的采樣參數(shù)和偏差
D.在空氣-單軸表面的反射
對(duì)于反射情況，同樣能以類(lèi)似于算法中的透射情況的方法進(jìn)行處理，我們將在下文展示。我們選用文獻(xiàn)[45]的工作，即空氣-單軸晶體表面發(fā)生的自旋霍爾效應(yīng)，來(lái)作為一個(gè)例子。系統(tǒng)原理圖如圖14所示，且自旋相關(guān)納米量級(jí)偏移可以通過(guò)檢查反射場(chǎng)的中心來(lái)進(jìn)行測(cè)量。
圖14.在空氣-單軸晶體表面的反射。晶體元件使用  坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)表示，其光軸（o.a.）沿  方向，輸入和反射場(chǎng)分在  中給出
在我們的模擬中，使用了波長(zhǎng)為632.8nm的線性偏振高斯場(chǎng)作為輸入場(chǎng)，在此波長(zhǎng)下，對(duì)于o光和e光，LiNbO3晶體樣品的折射率分別為n0=2.232和ne=2.156。在文獻(xiàn)[45]中并沒(méi)有給出輸出光場(chǎng)的光束尺寸，我們將其設(shè)置為20um。由于反射場(chǎng)的橫向偏移是由空間頻率域中的局部線性相位決定的，因此不改變光束尺寸的大小。
為了研究此效應(yīng)，反射矢量場(chǎng)投影在圓偏單位矢量坐標(biāo)系，而后我們測(cè)量了右旋圓偏振分量的中心。此外，對(duì)Ex和Ey兩個(gè)線性偏振入射場(chǎng)，我們旋轉(zhuǎn)晶體元件并監(jiān)控位移隨著入射角度的變化。模擬結(jié)果如圖15中所示。
我們使用參數(shù)掃描獲得圖15中的結(jié)果。對(duì)于每個(gè)入射角度，我們使用我們的算法計(jì)算了反射場(chǎng)，且在一個(gè)大的角度范圍內(nèi)顯示出了較好的適應(yīng)性。模擬結(jié)果與[45]中的結(jié)果匹配的很好。
圖15.入射角度與右圓偏振量反射場(chǎng)的橫向偏移之間的關(guān)系，（a）Ex和（b）Ey分別為線性偏振輸入。
總結(jié)
我們從系統(tǒng)仿真的角度研究了電磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)各向同性或各向異性層介質(zhì)元件的傳輸。利用SPW分析并將以方程（10）的形式概括的結(jié)果，以為后續(xù)的數(shù)值實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備。我們清楚地討論了在很多實(shí)際問(wèn)題中會(huì)遇到的采樣問(wèn)題，此外，我們提出了一種數(shù)值測(cè)試算法，以更有效地在角譜域確定采樣參數(shù)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具的案例，我們?cè)敿?xì)地描述了我們的算法的工作流程，顯示了我們方法的一般有效性。此方法已經(jīng)成功地應(yīng)用到了對(duì)激光晶體封裝技術(shù)中的應(yīng)力誘導(dǎo)雙折射的分析[46]。
致謝
我們感謝Olga Baladron-Zorita女士對(duì)此文章的校正以及其日常的幫助。
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