VirtualLab Fusion应用：立方体分束器中的受抑全内反射

摘要

在光谱分析、干涉测量和光通信领域的许多应用中，分束器设备都发挥着至关重要的作用。一种常见的分束器是基于受抑全内反射（FTIR）：设置第一个玻璃棱镜是为了让入射光线在全内反射条件下照射到其中一个表面，第二个棱镜直接置于其后面，这样两个棱镜之间就只有一层非常薄的密度较低的材料（例如空气）。如果分隔层足够薄，则全内反射至少会被穿过狭缝的倏逝波部分抑制，从而实现入射能量在分束器两个输出端之间的重新分配。

建模任务

连接建模技术：亚波长狭缝

与表面相互作用的现有建模技术：

由于穿过狭缝的倏逝波是这种光路的基础，因此需要选择一种将其考虑在内的建模技术。我们选择了严格的 S 矩阵/层矩阵算法（专门针对 x、y 不变的层状结构开发，完美地描述了本系统中的狭缝）。 

受抑的全内反射 (FTIR)

棱镜之间的间隙由分层介质组件（Stratified Media Component）建模。虽然其设计初衷是模拟具有多个不同层的系统，但底层的 S-Matrix 求解器也能对单个狭隙进行严格建模。有关分层介质组件（Stratified Media Component）的更多信息，请点击此处：分层介质组件

层矩阵求解器

分层介质组件（Stratified Media Component）使用层矩阵电磁场求解器。该求解器在空间频域中（k 域）工作。它包括：

1.每个均质层的特征模式求解器；

2.用于匹配所有界面边界条件的S矩阵。 

特征模式求解器计算 k 域中各层均质介质的场解。S 矩阵算法通过以递归方式匹配边界条件来计算整个层系统的响应。

这是一种以无条件数值稳定性而闻名的方法，因为与传统的传输矩阵不同，它避免了计算步骤中的指数增长函数。

更多信息：层矩阵[S-矩阵]

非序列追迹

将通道配置模式设置为手动（Manual Configuration）后，用户可以为系统中的每个表面单独指定模拟时所遵循的光路。进行模拟时，光路查找器（Light Path Finder）将确定可用的光路。然后通过配置好的选项沿着这些光路进行场追迹。

非序列追迹的通道设置

系统概述（光线结果配置文件：系统 3D）

狭缝厚度分析

基于FTIR的立方体分束器的反射率和透射率之比与棱镜之间的狭缝厚度密切相关。在本示例中，我们研究了狭缝在0 nm至500 nm厚度范围内产生的影响。我们将 VirtualLab Fusion 获得的结果与已发表的参考文献进行了比较：

参考文献：Chang Chien et al. “Design Analysis of a Beam Splitter Based on the Frustrated Total Internal Reflection”, Prog. Electromagn. Res., Vol. 124, 71-83, 2012.

文件信息

拓展阅读

- 分层介质组件

- 非序列追迹的通道设置

- 激光迈克尔逊干涉仪和干涉条纹探测

- 马赫-曾德干涉仪