OAS光学分析软件 | 如何使用OAS模拟应力双折射现象

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本文介绍了使用OAS模拟基于偏振的光学现象的多种方法，重点阐述其对晶体双折射传输特性的模拟机制。应力双折射现象在以下领域具有广泛应用：在材料研究中，可通过模拟分析材料内部应力分布及其动态变化，评估材料的机械强度与稳定性，检测透镜、棱镜等光学元件的质量与性能是否达标；在光纤通信系统中，该技术可用于实现光纤应力场的精确测量，为光纤网络布局优化和系统可靠性评估提供支持；在生物医学领域，则能通过光学手段检测生物组织的应力状态，获取其机械性能与功能信息，进而辅助疾病研究与临床诊断。

光的晶体双折射传输简单情形

1. 光束正入射，光轴与晶体表面垂直

这是沿着光轴方向入射的特殊情形。o光、e光方向相同，速度也是相同的，这时并没有发生双折射。

2.光线斜入射，入射面与光轴垂直

此时o光、e光的波面，球面和椭球面在入射面上的投影都是圆。由于o光、e光的速度不同，两圆的半径不同，因而发生双折射，o光、e光不仅方向不同，速度也不同。但是，这时e光的波面与其传播方向垂直。

OAS中的双折射模型，包括光源、双折射晶体材料，如图1.2所示。光线折射进入晶板时分解为快模和慢模，由于它们的折射率不同，两光线的折射方向也不同，传播到后表面然后出射。快模光线的偏振方向垂直于纸面，而慢模光线的偏振方向在纸面内。任意入射光线在晶体内均可分为两种正交偏振模式。完全非偏振入射光将等分为快模光和慢模光，其他偏振态则不均等分解。两种模式之间的能量分配取决于入射光的偏振态，即电场相对于三个晶轴的振荡。同理，对于折射进入单轴材料，光束在界面分解成两个正交偏振本征模式，分别标记为寻常光和异常光，而对于旋光材料，两个模式分别标记为左旋光和右旋光。

应力双折射

关于偏振光和透镜的另一个问题是应力双折射，特别是注塑透镜。透明各向同性光学元件在受到应力时可表现出暂时的双折射，并在应力释放时恢复为各向同性。应力双折射是一种空间变化的双折射，由透镜内应力压缩或者拉伸材料的原子导致双折射。应力一方面来源于制造过程另一方面也可以来源于外部施加的力，

当施加应力到物体上时，材料会随着原子自身的重新定位而轻微变形，以应对应施加的力，如图1.5所示。对于玻璃或者透明塑料等材料，压缩会增加压应力方向上的折射率，原子在该方向上移动的更近，但是在垂直面上移动的更远了，相反，拉力会减少拉伸应力方向上的折射率原子沿该方向拓展。压力增大折射率，拉力减小折射率。

对于一个简单的力，压力表现为与一个光学系统中的单轴晶体类似，光轴沿着压力的方向，当施加第二个不同方向的压力时，系统表现像一个双轴晶体。当光线在具有空间变化应力的材料中传播时，会在整个光线路径中经历延迟变化。这类似于光线传播通过空间变化的双折射材料。

光学系统中的应力双折射，应力数据为复数形式，塑料光学元件一般为注塑成型，从透镜峰和真空窗由于应力双折射产生复数空间。机械软件如SIGFIT可以计算机械元件部分由于压力的应力分布，压力的有限元方法FEM和其他参数如振动都是机械设计的过程。应力分布计算结果为一系列点，即有限元结果。一般通过应力张量的分布数据对光学系统的应力双折射效应进行建模和仿真。

OAS可以对应力双折射材料设置材料属性，包括材料名、单轴/双轴选择、光弹性系数、量化步数、应力指示符和原本的基底材料。应力分布通过加载数据文件进行定义，支持多种张量分布的文件格式，基本为空间坐标和对应的应力张量。

在进行光学系统建模时，在对应的表面上选择带有新建的应力双折射材料，从而把应力分布数据加载在光学系统中进行光线追迹和计算，以仿真应力双折射效应，如图1.6所示。图1.7和1.8显示了追迹之后的偏振斯托克斯S0和偏振椭圆的结果，可以看到应力导致的双折射对光线偏振态的影响。