工程光学小论文

PAGEPAGE1工程光学论文论文名称系别：专业班级：学号：姓名：完成日期：指导老师：年月日 摘要电磁波理论，光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直。光矢量在垂直于波线的平面作二维振动，光矢量的振动方式，叫做光波的偏振态。光矢量在一条直线上作简谐振动，叫线偏振光。如果光矢量的矢头的轨迹是椭圆，这种光叫椭圆偏振光。其次熟悉偏振光的物理特性及偏振光在各向异向性介质中有很多特殊的性质，比如常见的包括：双折射，眩光效应，场致双折射效应等。通过用数学表达式和矩阵对偏振光进行了详细的理论描述。在此基础上设计了几种产生完全偏振光（线偏振光.椭圆偏振光）的方案，说明了设计原理并行方案选择。最简单的分析工具就是偏振片，通过两个偏振片，一个用来起偏，一个用来检偏和一个测量偏振面旋转方向和方向的功率计。提出了测定偏振态的一些方法，重点是用琼斯矢量表示的偏振态的参数测定方法，偏振光和椭圆偏振光的测量。最后利用偏振光实验装置，完成了偏振光的综合实验。根据方案设计实验光路，在实验中得到了波形和数据，验证了设计方法的正确性。关键词：偏振片；波片，位相位移；双折射；波晶片1．偏振光的原理及基本定义自然光：光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性，具有这种特性的光就叫自然光。偏振光：如果光波的光矢量的方向始终不变，只沿一个固定方向振动时，这种光称为线偏振光或完全偏振光。因线偏振光中沿传播方向各处的光矢量都在同一振动面内，故线偏振光也称平面偏振光，简称偏振光。偏振片：它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光。分子型偏振片的有效起偏范围几乎可达到180度，用它可得到较宽的偏振光束，是常用的起偏元件。波晶片：又称位相延迟片，是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度，不同，所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同。当两光束通过波晶片后o光的位相相对于e光多延迟了，若满足，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足，即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足，即Δ=2π我们称之为全波片。椭圆偏振光：如果光矢量旋转时，其大小不断改变，光矢量的矢端轨迹是个椭圆，则称作椭圆偏振光。这种光的偏振方向也是在规律的旋转着的，但是它的光矢量在旋转过程中强度也在变化。也就是光矢量是沿着一个椭圆旋转的。椭圆偏振光在观察时间段里平均后的结果与部分偏振光相似。但是与部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定规律变化的。2．偏振光的测量方案我们以面阵CCD作为二为光强探测器，可测出光束的斯托克斯参数，偏振度，琼斯矢量，也可测量器件的琼斯矩阵和密勒矩阵，波片的相位延迟等等。根据上面章节中选取的设计方案，我将简要介绍一下斯托克斯参数和相位延迟的常规测定方法，较详细的介绍用琼斯矢量表示的偏振态的参数测定法。2.1相位延迟的测定方法相位延迟器和光学补偿器是偏光系统的重要组成部分。当前过内外测定延迟的方法主要有两种：直接测量法和间接测量法。直接测量法利用介质的折射率和几何尺寸根据理论计算出相应结果。但此方法设备繁琐，计算复杂，很少采用。间接法通过偏光系统中器件方位角与出射光强的关系，间接推导出延迟参量：间接法主要有：相位补偿法，光谱法，偏振调制法，光学差拍法，斑纹摄影术，莫尔偏折法等。常用的相位延迟方法有消光测量法及非消光测量法。早期的测量手段要是用消光偏振测量术，此法的关键是准确判断消光点的位置。为了减小误差，提高精度，可以用电光调制器或磁光调制器进行调制。但过程繁琐，且目视误差较大。后来人们改用光度测量法，其优点是无需判断测量位置，可以分为静态测量法和动态测量法，前者根据各处固定光学元件的光强得出相应的信息，后者则是让其中一个或几个参量作组周期性变换，再经过傅立叶变换或相应检测手段得出相应结论。2.2偏振态参数琼斯矢量的测定任一偏振光，不管是线偏振光或椭圆偏振光都可以用光矢量互相垂直的沿同一方向传播的两个线偏振光的合成来表示。例如，沿z方向传播的右旋圆偏振光可以表示为：（2-1）或复数表达形式：(2-2)式(2-1)和（2-2）是右旋椭圆偏振光的三角函索表达式和复数形式。应该注意在式（2-2）中，y方向振动的线偏光对x方向振动的线偏振光的位相差为-而不是在式（2-1）中的+。若以复振幅表示，右旋圆偏振光又可以表示为：E=A+A（2-3）类似地，任一偏振光都可以表示为：E=+（2-4）偏振光的矩阵表示是用一个称为琼斯矢量得的列矩阵来表示偏振光：E==（2-5）琼斯矢量的归一化形成可以用去除矢量的每一个元素（使得两个元素的平方和为1）得到：E=（2-6）偏振器件的矩阵表示基于偏振器件对入射偏振光的线性作用。设入射光为=出射光为=则有：=+=+（2-7）上式写成矩阵形式：=（2-8）矩阵G=称该器件的琼斯矩阵。如果偏振光（）相继通过N个偏振器件，他们的琼斯矩阵分别为，，，则出射光的琼斯矢量为： （2-9）利用这一性质，可以计算给定的偏振光通过一系列偏振器件后偏振态的变化。3．生产偏振光的方法3.1线偏振光产生的方法让太阳光或灯光通过一块用晶体薄片做成的偏振片，在的另一侧观察，可以看到它是透明的。以入射光线为轴旋转偏振片，这时看到透射光的强度并不发生变化。再取一块同样的偏振片，放在偏振片的后面，通过它去观察从偏振片透射过来的光，就会发现，从偏振片透射过来的光的强度跟两偏振片、的相对方向有关。图1-1起偏和检偏图1-1起偏和检偏把晶片固定，以入射光线为轴旋转偏振片时，从透射过来的光的强度发生周期性的变化。

当与的透振方向平行时，透射光的强度最大，当与的透振方向垂直时，透射光的强度最弱，几乎等于零。把上述的光现象跟机械波的偏振现象比较，表明光通过偏振片时产生偏振现象，由此确定光波是横波。

自然光通过第一个偏振片P1（叫起偏器）后，相当于被一个“狭缝”卡了一下，只有振动方向跟“狭缝”方向平行的光波才能通过。自然光通过偏振片后虽然变成了偏振光，但由于自然光中沿各个方向振动的光波强度都相同，所以不论晶片转到什么方向，都会有相同强度的光透射过来。再通过第二个偏振片（叫检偏器）去观察就不同了；不论旋转哪个偏振片，两偏振片透振方向平行时，透射光最强，两偏振片的透振方向垂直时，透射光最弱。

光的偏振现象并不是罕见的。我们通常看到的绝大部分光，除了从光源直接射过来的，基本上都不是自然光，只是我们的眼睛不能鉴别罢了．如果用偏振片去观察从玻璃或水面上反射的光，旋转偏振片发现透射光的强度也发生周期性的变化，从而知道反射光是偏振光。3.2椭圆偏振光的产生方法利用波晶片获得一束平面偏振光垂直入射到1/4波片上，且E振动方向与光轴有一定夹角，有：对于负晶体有：2.自然光改造成椭圆偏振光自然界中大多数光源发出的是自然光，如果把自然光直接入射到波晶片上，出射后不可能得到椭圆偏振光。要使自然光转化为椭圆偏振光，首先必须通过一个偏振器产生平面偏振光，然后将垂直入射到一块波晶片上。一个恰当取向的起偏器和一块波晶片的串接组合—椭圆偏振器。自然光通过椭圆偏振器后转化为椭圆偏振光。3.3产生偏振光的综合实验3.3.1实验装置外腔式氦氖激光器，GY-IO激光电源，偏振光实验系统电源，步进式电动机，光具座，光屏。1/4波片w，偏振片p，聚焦透镜F，CCD光强探测器，微型计算机。3.3.2实验参数入射光波长入=632.8nm,聚焦透镜f=100,GSZF-3.EXE采集间距0.50度。1/4波片旋转角度，两个步进式电动机的步角为(42BY，l/25)。3.3.3实验过程1.确定偏振片透光轴方向的实验由于本实验中的偏振片透光轴方向未知，故我们首先设计了一种方法，检测出了偏振片的透光抽方向，并作了标志。实验装置如图（3-1）所示。图3－1确定偏振片的投射光轴方向的实验装置图3－1确定偏振片的投射光轴方向的实验装置2．产生完全偏振光的实验令激光器输出线偏振光琼斯矢量为，与X轴的夹角为a，1/4波片与X轴的夹角为，由式====产生线偏振光图3-2产生线偏振光的实验装置图3-2产生线偏振光的实验装置==实验装置如图3-2所示。实验中的起偏器，检偏器，由气体激光器发出的线偏振光，强度为，经偏振片偏振后，输出线偏振光强度为，光矢量振动方向与平行。经检偏器偏振后，光强变力，经过聚焦镜F放大后变为，在光屏上可以观测到光强的变化。因为只要与光矢量振动方向不垂直，产生的就是线偏振光，固定P，在某个位置，旋转，可以在计算机上看到输出波形为一条余弦曲线，最小值为零。实验波形图如图3-3图3-3图3-3(2)产生椭圆偏振光。图3-4产生椭圆偏振光的实验装置图3-4产生椭圆偏振光的实验装置实验装置如图3-4所示。实验中的起偏器，检偏器，由气体激光器发出的线偏振光，强度为，经偏振片偏振后，输出线偏振光强度为，光矢量振动方向与平行。再经l/4波片产生两束振动方向互相垂直的线偏振光，合成为椭圆偏振光。在图中用虚线所示。令1/4波片与x轴的夹角为。=……得：J=……则可知产生的光的琼斯矢量：=让与波片光轴方向不等于，就能产生椭圆偏振光。再固定与在某个位置。拿去，旋转，可以在计算机上看，输出波形相对强度有两次极大和极小，但最小值不为零。1/4波片与一起有赖检验光波的偏振态。用检偏器检验椭圆偏振光时，因光强的变化规律与检验自然光和部分偏振光时相同，因为无法将它们区分开来。在检偏器前加上一块1/4波片。如果是椭圆偏振光，通过四分之一波片后就变成线偏振光，这样再转动检偏器时就可观察到光强有变化，并出现最大光强和消光。如果是自然光，它通过四分之一波片后仍为自然光，转动检偏器时光强仍然无变化。实验波形图如图3-5所示图3-5图3-5参考文献[1]廖延彪.中国激光.1987[2