가우시안 빔이 편광 프리즘과 반사경을 거칠 때 발생하는 광강도 중심(Centroid)의 미세한 편차는 광학계 정렬에서 중요한 고려 요소입니다. 특히 이방성 매질을 포함하는 시스템에서는 편광 방향과 입사각에 따라 빔의 프로파일이 비대칭적으로 변할 수 있습니다.

이방성 매질을 위한 유전율 텐서 설정

편광 프리즘의 광학적 특성을 정확히 구현하기 위해서는 재료의 유전율(Permittivity)을 텐서 형태로 정의해야 합니다. 일반적인 등방성 재료와 달리, 편광 프리즘은 각 축 방향으로 서로 다른 굴절률을 가집니다.

// 편광 프리즘 재료 및 이방성 유전율 정의
Model materialObj = model.material().create("mat_polarizer", "Common");
materialObj.propertyGroup("def").set("epsilonrelative", new String[]{"1.5^2", "0", "0", "0", "1.5^2", "0", "0", "0", "2.1^2"});

// 가우시안 빔 소스 파라미터
model.param().set("lambda_0", "1064[nm]");
model.param().set("beam_waist", "0.5[mm]");
model.param().set("E_max", "1[V/m]");
model.param().set("pol_angle", "pi/4"); // 45도 편광 설정

유전율 텐서의 대각 성분을 통해 특정 방향의 위상 속도를 제어함으로써 복굴절 현상을 모사할 수 있습니다. 설정값이 미세하게 어긋날 경우 빔이 갈라지거나 원치 않는 모드로 변환될 수 있으므로 주의가 필요합니다.

반사 경계 조건 및 위상 마스크 적용

반사경 표면에서의 경계 조건은 단순한 반사를 넘어, 빔의 입사각과 위상 분포를 반영해야 합니다. 전자기파(emw) 인터페이스에서 반사 경계 조건을 설정하고 위상 지연 항을 추가하여 입사각에 따른 변화를 관찰할 수 있습니다.

// 반사 경계 조건 설정
PhysicsFeature mirrorBC = model.physics("emw").feature().create("refl_1", "ReflectiveBoundary", 2);
mirrorBC.set("E0", new String[]{"E0x*exp(-(x^2+y^2)/w0^2)", "E0y*exp(-(x^2+y^2)/w0^2)", "0"});
mirrorBC.set("phase_shift", "k0*(x*sin(inc_angle) + z*cos(inc_angle))");

입사각(inc_angle)이 증가함에 따라 반사면에서의 빔 왜곡이 심화되며, 이는 최종적인 광강도 중심 이동으로 이어집니다.

광강도 중심(Centroid) 계산 및 데이터 분석

시뮬레이션 결과에서 빔의 물리적 이동 거리를 정량화하기 위해 광강도의 가중 평균값을 계산합니다. 이는 적분 연산자를 사용하거나 추출된 메쉬 데이터를 기반으로 후처리할 수 있습니다.

// Java API를 이용한 광강도 중심 좌표 계산 로직
double totalI = 0;
double weightedX = 0, weightedY = 0;

for (int i = 0; i < meshData.length; i++) {
    double intensity = Math.pow(fieldMagnitude[i], 2);
    totalI += intensity;
    weightedX += meshData[i].x * intensity;
    weightedY += meshData[i].y * intensity;
}

double centroidX = weightedX / totalI;
double centroidY = weightedY / totalI;

분석 결과, 편광 방향이 프리즘의 주축(Principal Axis)과 일치하지 않을 때 x축 방향으로 수 마이크로미터 단위의 오프셋이 발생함을 확인할 수 있습니다. 특히 특정 임계 입사각 이상에서는 반사 과정에서 발생하는 기하학적 위상 차이로 인해 y축 방향의 중심 좌표가 진동하는 특성을 보입니다. 이러한 미세 변위는 고정밀 광핀셋(Optical Tweezers)이나 간섭계 시스템의 오차 분석에서 필수적으로 검토되어야 할 항목입니다.