工程光學(xué)小論文

PAGEPAGE1工程光學(xué)論文論文名稱系別：專業(yè)班級：學(xué)號：姓名：完成日期：指導(dǎo)老師：年月日 摘要電磁波理論，光是橫波，它的振動方向和光的傳播方向垂直。光矢量在垂直于波線的平面作二維振動，光矢量的振動方式，叫做光波的偏振態(tài)。光矢量在一條直線上作簡諧振動，叫線偏振光。如果光矢量的矢頭的軌跡是橢圓，這種光叫橢圓偏振光。其次熟悉偏振光的物理特性及偏振光在各向異向性介質(zhì)中有很多特殊的性質(zhì)，比如常見的包括：雙折射，眩光效應(yīng)，場致雙折射效應(yīng)等。通過用數(shù)學(xué)表達式和矩陣對偏振光進行了詳細的理論描述。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了幾種產(chǎn)生完全偏振光（線偏振光.橢圓偏振光）的方案，說明了設(shè)計原理并行方案選擇。最簡單的分析工具就是偏振片，通過兩個偏振片，一個用來起偏，一個用來檢偏和一個測量偏振面旋轉(zhuǎn)方向和方向的功率計。提出了測定偏振態(tài)的一些方法，重點是用瓊斯矢量表示的偏振態(tài)的參數(shù)測定方法，偏振光和橢圓偏振光的測量。最后利用偏振光實驗裝置，完成了偏振光的綜合實驗。根據(jù)方案設(shè)計實驗光路，在實驗中得到了波形和數(shù)據(jù)，驗證了設(shè)計方法的正確性。關(guān)鍵詞：偏振片；波片，位相位移；雙折射；波晶片1．偏振光的原理及基本定義自然光：光振動的振幅在垂直于光波的傳播方向上，既有時間分布的均勻性，又有空間分布的均勻性，具有這種特性的光就叫自然光。偏振光：如果光波的光矢量的方向始終不變，只沿一個固定方向振動時，這種光稱為線偏振光或完全偏振光。因線偏振光中沿傳播方向各處的光矢量都在同一振動面內(nèi)，故線偏振光也稱平面偏振光，簡稱偏振光。偏振片：它是利用聚乙烯醇塑膠膜制成，它具有梳狀長鏈形結(jié)構(gòu)分子，這些分子平行排列在同一方向上，此時膠膜只允許垂直于排列方向的光振動通過，因而產(chǎn)生線偏振光。分子型偏振片的有效起偏范圍幾乎可達到180度，用它可得到較寬的偏振光束，是常用的起偏元件。波晶片：又稱位相延遲片，是從單軸晶體中切割下來的平行平面板，由于波晶片內(nèi)的速度，不同，所以造成o光和e光通過波晶片的光程也不同。當(dāng)兩光束通過波晶片后o光的位相相對于e光多延遲了，若滿足，即Δ=±π/2我們稱之為λ/4片，若滿足，即Δ=±π，我們稱之為λ/2片，若滿足，即Δ=2π我們稱之為全波片。橢圓偏振光：如果光矢量旋轉(zhuǎn)時，其大小不斷改變，光矢量的矢端軌跡是個橢圓，則稱作橢圓偏振光。這種光的偏振方向也是在規(guī)律的旋轉(zhuǎn)著的，但是它的光矢量在旋轉(zhuǎn)過程中強度也在變化。也就是光矢量是沿著一個橢圓旋轉(zhuǎn)的。橢圓偏振光在觀察時間段里平均后的結(jié)果與部分偏振光相似。但是與部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定規(guī)律變化的。2．偏振光的測量方案我們以面陣CCD作為二為光強探測器，可測出光束的斯托克斯參數(shù)，偏振度，瓊斯矢量，也可測量器件的瓊斯矩陣和密勒矩陣，波片的相位延遲等等。根據(jù)上面章節(jié)中選取的設(shè)計方案，我將簡要介紹一下斯托克斯參數(shù)和相位延遲的常規(guī)測定方法，較詳細的介紹用瓊斯矢量表示的偏振態(tài)的參數(shù)測定法。2.1相位延遲的測定方法相位延遲器和光學(xué)補償器是偏光系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)前過內(nèi)外測定延遲的方法主要有兩種：直接測量法和間接測量法。直接測量法利用介質(zhì)的折射率和幾何尺寸根據(jù)理論計算出相應(yīng)結(jié)果。但此方法設(shè)備繁瑣，計算復(fù)雜，很少采用。間接法通過偏光系統(tǒng)中器件方位角與出射光強的關(guān)系，間接推導(dǎo)出延遲參量：間接法主要有：相位補償法，光譜法，偏振調(diào)制法，光學(xué)差拍法，斑紋攝影術(shù)，莫爾偏折法等。常用的相位延遲方法有消光測量法及非消光測量法。早期的測量手段要是用消光偏振測量術(shù)，此法的關(guān)鍵是準確判斷消光點的位置。為了減小誤差，提高精度，可以用電光調(diào)制器或磁光調(diào)制器進行調(diào)制。但過程繁瑣，且目視誤差較大。后來人們改用光度測量法，其優(yōu)點是無需判斷測量位置，可以分為靜態(tài)測量法和動態(tài)測量法，前者根據(jù)各處固定光學(xué)元件的光強得出相應(yīng)的信息，后者則是讓其中一個或幾個參量作組周期性變換，再經(jīng)過傅立葉變換或相應(yīng)檢測手段得出相應(yīng)結(jié)論。2.2偏振態(tài)參數(shù)瓊斯矢量的測定任一偏振光，不管是線偏振光或橢圓偏振光都可以用光矢量互相垂直的沿同一方向傳播的兩個線偏振光的合成來表示。例如，沿z方向傳播的右旋圓偏振光可以表示為：（2-1）或復(fù)數(shù)表達形式：(2-2)式(2-1)和（2-2）是右旋橢圓偏振光的三角函索表達式和復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該注意在式（2-2）中，y方向振動的線偏光對x方向振動的線偏振光的位相差為-而不是在式（2-1）中的+。若以復(fù)振幅表示，右旋圓偏振光又可以表示為：E=A+A（2-3）類似地，任一偏振光都可以表示為：E=+（2-4）偏振光的矩陣表示是用一個稱為瓊斯矢量得的列矩陣來表示偏振光：E==（2-5）瓊斯矢量的歸一化形成可以用去除矢量的每一個元素（使得兩個元素的平方和為1）得到：E=（2-6）偏振器件的矩陣表示基于偏振器件對入射偏振光的線性作用。設(shè)入射光為=出射光為=則有：=+=+（2-7）上式寫成矩陣形式：=（2-8）矩陣G=稱該器件的瓊斯矩陣。如果偏振光（）相繼通過N個偏振器件，他們的瓊斯矩陣分別為，，，則出射光的瓊斯矢量為： （2-9）利用這一性質(zhì)，可以計算給定的偏振光通過一系列偏振器件后偏振態(tài)的變化。3．生產(chǎn)偏振光的方法3.1線偏振光產(chǎn)生的方法讓太陽光或燈光通過一塊用晶體薄片做成的偏振片，在的另一側(cè)觀察，可以看到它是透明的。以入射光線為軸旋轉(zhuǎn)偏振片，這時看到透射光的強度并不發(fā)生變化。再取一塊同樣的偏振片，放在偏振片的后面，通過它去觀察從偏振片透射過來的光，就會發(fā)現(xiàn)，從偏振片透射過來的光的強度跟兩偏振片、的相對方向有關(guān)。圖1-1起偏和檢偏圖1-1起偏和檢偏把晶片固定，以入射光線為軸旋轉(zhuǎn)偏振片時，從透射過來的光的強度發(fā)生周期性的變化。

當(dāng)與的透振方向平行時，透射光的強度最大，當(dāng)與的透振方向垂直時，透射光的強度最弱，幾乎等于零。把上述的光現(xiàn)象跟機械波的偏振現(xiàn)象比較，表明光通過偏振片時產(chǎn)生偏振現(xiàn)象，由此確定光波是橫波。

自然光通過第一個偏振片P1（叫起偏器）后，相當(dāng)于被一個“狹縫”卡了一下，只有振動方向跟“狹縫”方向平行的光波才能通過。自然光通過偏振片后雖然變成了偏振光，但由于自然光中沿各個方向振動的光波強度都相同，所以不論晶片轉(zhuǎn)到什么方向，都會有相同強度的光透射過來。再通過第二個偏振片（叫檢偏器）去觀察就不同了；不論旋轉(zhuǎn)哪個偏振片，兩偏振片透振方向平行時，透射光最強，兩偏振片的透振方向垂直時，透射光最弱。

光的偏振現(xiàn)象并不是罕見的。我們通?？吹降慕^大部分光，除了從光源直接射過來的，基本上都不是自然光，只是我們的眼睛不能鑒別罷了．如果用偏振片去觀察從玻璃或水面上反射的光，旋轉(zhuǎn)偏振片發(fā)現(xiàn)透射光的強度也發(fā)生周期性的變化，從而知道反射光是偏振光。3.2橢圓偏振光的產(chǎn)生方法利用波晶片獲得一束平面偏振光垂直入射到1/4波片上，且E振動方向與光軸有一定夾角，有：對于負晶體有：2.自然光改造成橢圓偏振光自然界中大多數(shù)光源發(fā)出的是自然光，如果把自然光直接入射到波晶片上，出射后不可能得到橢圓偏振光。要使自然光轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光，首先必須通過一個偏振器產(chǎn)生平面偏振光，然后將垂直入射到一塊波晶片上。一個恰當(dāng)取向的起偏器和一塊波晶片的串接組合—橢圓偏振器。自然光通過橢圓偏振器后轉(zhuǎn)化為橢圓偏振光。3.3產(chǎn)生偏振光的綜合實驗3.3.1實驗裝置外腔式氦氖激光器，GY-IO激光電源，偏振光實驗系統(tǒng)電源，步進式電動機，光具座，光屏。1/4波片w，偏振片p，聚焦透鏡F，CCD光強探測器，微型計算機。3.3.2實驗參數(shù)入射光波長入=632.8nm,聚焦透鏡f=100,GSZF-3.EXE采集間距0.50度。1/4波片旋轉(zhuǎn)角度，兩個步進式電動機的步角為(42BY，l/25)。3.3.3實驗過程1.確定偏振片透光軸方向的實驗由于本實驗中的偏振片透光軸方向未知，故我們首先設(shè)計了一種方法，檢測出了偏振片的透光抽方向，并作了標志。實驗裝置如圖（3-1）所示。圖3－1確定偏振片的投射光軸方向的實驗裝置圖3－1確定偏振片的投射光軸方向的實驗裝置2．產(chǎn)生完全偏振光的實驗令激光器輸出線偏振光瓊斯矢量為，與X軸的夾角為a，1/4波片與X軸的夾角為，由式====產(chǎn)生線偏振光圖3-2產(chǎn)生線偏振光的實驗裝置圖3-2產(chǎn)生線偏振光的實驗裝置==實驗裝置如圖3-2所示。實驗中的起偏器，檢偏器，由氣體激光器發(fā)出的線偏振光，強度為，經(jīng)偏振片偏振后，輸出線偏振光強度為，光矢量振動方向與平行。經(jīng)檢偏器偏振后，光強變力，經(jīng)過聚焦鏡F放大后變?yōu)?，在光屏上可以觀測到光強的變化。因為只要與光矢量振動方向不垂直，產(chǎn)生的就是線偏振光，固定P，在某個位置，旋轉(zhuǎn)，可以在計算機上看到輸出波形為一條余弦曲線，最小值為零。實驗波形圖如圖3-3圖3-3圖3-3(2)產(chǎn)生橢圓偏振光。圖3-4產(chǎn)生橢圓偏振光的實驗裝置圖3-4產(chǎn)生橢圓偏振光的實驗裝置實驗裝置如圖3-4所示。實驗中的起偏器，檢偏器，由氣體激光器發(fā)出的線偏振光，強度為，經(jīng)偏振片偏振后，輸出線偏振光強度為，光矢量振動方向與平行。再經(jīng)l/4波片產(chǎn)生兩束振動方向互相垂直的線偏振光，合成為橢圓偏振光。在圖中用虛線所示。令1/4波片與x軸的夾角為。=……得：J=……則可知產(chǎn)生的光的瓊斯矢量：=讓與波片光軸方向不等于，就能產(chǎn)生橢圓偏振光。再固定與在某個位置。拿去，旋轉(zhuǎn)，可以在計算機上看，輸出波形相對強度有兩次極大和極小，但最小值不為零。1/4波片與一起有賴檢驗光波的偏振態(tài)。用檢偏器檢驗橢圓偏振光時，因光強的變化規(guī)律與檢驗自然光和部分偏振光時相同，因為無法將它們區(qū)分開來。在檢偏器前加上一塊1/4波片。如果是橢圓偏振光，通過四分之一波片后就變成線偏振光，這樣再轉(zhuǎn)動檢偏器時就可觀察到光強有變化，并出現(xiàn)最大光強和消光。如果是自然光，它通過四分之一波片后仍為自然光，轉(zhuǎn)動檢偏器時光強仍然無變化。實驗波形圖如圖3-5所示圖3-5圖3-5參考文獻[1]廖延彪.中國激光.1987[2