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(jí)：學(xué)號(hào)：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(dòng)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(dòng)，光矢量的振動(dòng)方式，叫做光波的偏振態(tài)。光矢量在一條直線上作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，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(jiàn)的包括：雙折射，眩光效應(yīng)，場(chǎng)致雙折射效應(yīng)等。通過(guò)用數(shù)學(xué)表達(dá)式和矩陣對(duì)偏振光進(jìn)行了詳細(xì)的理論描述。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了幾種產(chǎn)生完全偏振光（線偏振光.橢圓偏振光）的方案，說(shuō)明了設(shè)計(jì)原理并行方案選擇。最簡(jiǎn)單的分析工具就是偏振片，通過(guò)兩個(gè)偏振片，一個(gè)用來(lái)起偏，一個(gè)用來(lái)檢偏和一個(gè)測(cè)量偏振面旋轉(zhuǎn)方向和方向的功率計(jì)。提出了測(cè)定偏振態(tài)的一些方法，重點(diǎn)是用瓊斯矢量表示的偏振態(tài)的參數(shù)測(cè)定方法，偏振光和橢圓偏振光的測(cè)量。最后利用偏振光實(shí)驗(yàn)裝置，完成了偏振光的綜合實(shí)驗(yàn)。根據(jù)方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)光路，在實(shí)驗(yàn)中得到了波形和數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(dòng)的振幅在垂直于光波的傳播方向上，既有時(shí)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(gè)固定方向振動(dòng)時(shí)，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(dòng)面內(nèi)，故線偏振光也稱平面偏振光，簡(jiǎn)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(zhǎng)鏈形結(jié)構(gòu)分子，這些分子平行排列在同一方向上，此時(shí)膠膜只允許垂直于排列方向的光振動(dòng)通過(guò)，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(dá)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(lái)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(guò)波晶片的光程也不同。當(dāng)兩光束通過(guò)波晶片后o光的位相相對(duì)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(shí)，其大小不斷改變，光矢量的矢端軌跡是個(gè)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(guò)程中強(qiáng)度也在變化。也就是光矢量是沿著一個(gè)橢圓旋轉(zhuǎn)的。橢圓偏振光在觀察時(shí)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(cè)量方案我們以面陣CCD作為二為光強(qiáng)探測(cè)器，可測(cè)出光束的斯托克斯參數(shù)，偏振度，瓊斯矢量，也可測(cè)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(jì)方案，我將簡(jiǎn)要介紹一下斯托克斯參數(shù)和相位延遲的常規(guī)測(cè)定方法，較詳細(xì)的介紹用瓊斯矢量表示的偏振態(tài)的參數(shù)測(cè)定法。2.1相位延遲的測(cè)定方法相位延遲器和光學(xué)補(bǔ)償器是偏光系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)前過(guò)內(nèi)外測(cè)定延遲的方法主要有兩種：直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法利用介質(zhì)的折射率和幾何尺寸根據(jù)理論計(jì)算出相應(yīng)結(jié)果。但此方法設(shè)備繁瑣，計(jì)算復(fù)雜，很少采用。間接法通過(guò)偏光系統(tǒng)中器件方位角與出射光強(qiáng)的關(guān)系，間接推導(dǎo)出延遲參量：間接法主要有：相位補(bǔ)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(cè)量法及非消光測(cè)量法。早期的測(cè)量手段要是用消光偏振測(cè)量術(shù)，此法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確判斷消光點(diǎn)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(jìn)行調(diào)制。但過(guò)程繁瑣，且目視誤差較大。后來(lái)人們改用光度測(cè)量法，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需判斷測(cè)量位置，可以分為靜態(tài)測(cè)量法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法，前者根據(jù)各處固定光學(xué)元件的光強(qiáng)得出相應(yīng)的信息，后者則是讓其中一個(gè)或幾個(gè)參量作組周期性變換，再經(jīng)過(guò)傅立葉變換或相應(yīng)檢測(cè)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(cè)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(gè)線偏振光的合成來(lái)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(dá)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(dá)式和復(fù)數(shù)形式。應(yīng)該注意在式（2-2）中，y方向振動(dòng)的線偏光對(duì)x方向振動(dòng)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(gè)稱為瓊斯矢量得的列矩陣來(lái)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(gè)元素（使得兩個(gè)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(duì)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(guò)N個(gè)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(jì)算給定的偏振光通過(guò)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(yáng)光或燈光通過(guò)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(shí)看到透射光的強(qiáng)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(guò)它去觀察從偏振片透射過(guò)來(lái)的光，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，從偏振片透射過(guò)來(lái)的光的強(qiáng)度跟兩偏振片、的相對(duì)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(shí)，從透射過(guò)來(lái)的光的強(qiáng)度發(fā)生周期性的變化。

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

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

光的偏振現(xiàn)象并不是罕見(jiàn)的。我們通常看到的絕大部分光，除了從光源直接射過(guò)來(lái)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(qiáng)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(dòng)方向與光軸有一定夾角，有：對(duì)于負(fù)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(guò)一個(gè)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(gè)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(guò)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(shí)驗(yàn)3.3.1實(shí)驗(yàn)裝置外腔式氦氖激光器，GY-IO激光電源，偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源，步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)，光具座，光屏。1/4波片w，偏振片p，聚焦透鏡F，CCD光強(qiáng)探測(cè)器，微型計(jì)算機(jī)。3.3.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)入射光波長(zhǎng)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(gè)步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)的步角為(42BY，l/25)。3.3.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.確定偏振片透光軸方向的實(shí)驗(yàn)由于本實(shí)驗(yàn)中的偏振片透光軸方向未知，故我們首先設(shè)計(jì)了一種方法，檢測(cè)出了偏振片的透光抽方向，并作了標(biāo)志。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置圖3－1確定偏振片的投射光軸方向的實(shí)驗(yàn)裝置2．產(chǎn)生完全偏振光的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置圖3-2產(chǎn)生線偏振光的實(shí)驗(yàn)裝置==實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-2所示。實(shí)驗(yàn)中的起偏器，檢偏器，由氣體激光器發(fā)出的線偏振光，強(qiáng)度為，經(jīng)偏振片偏振后，輸出線偏振光強(qiáng)度為，光矢量振動(dòng)方向與平行。經(jīng)檢偏器偏振后，光強(qiáng)變力，經(jīng)過(guò)聚焦鏡F放大后變?yōu)?，在光屏上可以觀測(cè)到光強(qiáng)的變化。因?yàn)橹灰c光矢量振動(dòng)方向不垂直，產(chǎn)生的就是線偏振光，固定P，在某個(gè)位置，旋轉(zhuǎn)，可以在計(jì)算機(jī)上看到輸出波形為一條余弦曲線，最小值為零。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置圖3-4產(chǎn)生橢圓偏振光的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3-4所示。實(shí)驗(yàn)中的起偏器，檢偏器，由氣體激光器發(fā)出的線偏振光，強(qiáng)度為，經(jīng)偏振片偏振后，輸出線偏振光強(qiáng)度為，光矢量振動(dòng)方向與平行。再經(jīng)l/4波片產(chǎn)生兩束振動(dòng)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(gè)位置。拿去，旋轉(zhuǎn)，可以在計(jì)算機(jī)上看，輸出波形相對(duì)強(qiáng)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(yàn)光波的偏振態(tài)。用檢偏器檢驗(yàn)橢圓偏振光時(shí)，因光強(qiáng)的變化規(guī)律與檢驗(yàn)自然光和部分偏振光時(shí)相同，因?yàn)闊o(wú)法將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。在檢偏器前加上一塊1/4波片。如果是橢圓偏振光，通過(guò)四分之一波片后就變成線偏振光，這樣再轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)就可觀察到光強(qiáng)有變化，并出現(xiàn)最大光強(qiáng)和消光。如果是自然光，它通過(guò)四分之一波片后仍為自然光，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)光強(qiáng)仍然無(wú)變化。實(shí)驗(yàn)波形圖如圖3-5所示圖3-5圖3-5參考文獻(xiàn)[1]廖延彪.中國(guó)激光.1987[2