偏振光检测及其研究论文

分类号 密级 U D C 编号 本科毕业论文(设计)题目 偏振光检测及其研究 系 别 继续教育学院 专业名称 光机电一体化工程 年 级 2007级 姓名 喻磊 学 号 017607203658 指导教师姓名 刘祥彪 二0一0年十一月13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（或圆），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.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AbstractThe electromagnetic wave theories, only secondary wave, the dissemination direction perpendicularity of its vibration direction and lights.The light vector makes the two vibration in the flat surface of a line at the perpendicularity, the vibration method of the wide vector, be called the light wave to be partial to flap the 态 .The light vector cares a straight line up make JIAN3 XIE2 vibration, call line be partial to flap the light.If the track of the head of the light vector is oval( or circle), this kind of light call oval be partial to flap the light.Acquaint with to be partial to the physics characteristic of flap the light and be partial to flap the light the next in order to have a lot of special property s to include for example and familiarly in eachly to difference toward sex lie quality:The double refract, the dizzled light effect, field with the result that the double refracts effect etc.Pass to use mathematics expression type and matrix to flap the light to carry on the detailed theories description towards being partial to.Designed several creations to be partial to flap the light completely on this foundation( the line is partial to flap the light.Oval be partial to flap the light.The circle be partial to flap the light) of project, explained that the design principle proceeds together the project choice.The most in brief analytical tool is to be partial to flap the slice, pass two be partial to flap the slice,1 uses to come to rise to be partial to, a power that uses to check to be partial to is partial to flap to face to revolve the direction and direction with a diagraph account.Putting forward the measurement is partial to some methods of flap , point is mean with the vector of be partial to and flap he parameter measurement method, be partial to flap the light and oval be partial to the diagraph of flap the light.The end makes use of to be partial to flap the light experiment device, completing to be partial to comprehensive experiment of flap the light.Experiment the light road according to the project design, got a form and datas in the experiment, verify the design accuracy of method.Keywords: polarizer； compensator；Phase displacement；double booklet；Wave chip目 录摘要.IIABSTRACTIII引言.1偏振光的原理及基本定义.2偏振光的测量方案. 2.1斯托克斯参数的测量. 2.2相位延迟的测定方法. 2.3偏振态参数琼斯矢量的测定.3生产偏振光的方法和实验. 3.1线偏振光产生的方法. 3.2椭圆偏振光和圆偏振光的产生方法. 3.3产生偏振光的综合实验. 3.3.1实验概述. 3.3.2实验装置. 3.3.3实验参数. 3.3.4实验过程.4偏振光的应用实例.5.总结.参考文献.引言随着偏振光技术的发展，为了进一步研究光束和物资的偏振特性，人们对偏振光器件也提出了越来越高的要求，并逐步提出和建立了各种各样的测量方案和系统，用于斯托克斯参量，琼斯矢量,琼斯矩阵，密勒矩阵以及波片的相位延迟等偏振参量的测量。目前的偏振参量测量系统的功能还比较单一，且多位单点测量，在均匀性方面存在明显不足，且光学器件在加工和内部方面的缺陷，以及应力和其他方面的影响，使得偏振器件的特性在整个通光面上是不均匀的。人们曾通过移动样品的位置来测量样品上若干点的偏振量,但繁琐费时，而且不能形成等精度测量。从偏振光在各个领域的广泛应用中，我们可以看出本课题研究：光的偏振特性与检测方法研究的重要意义。但目前偏振测量系统还存在一些局限。为了进一步地研究偏振光的特性，使偏振光的应用更加方便，我们要在深入研究偏振特性的基础上，找出并优先一组产生完全偏振光的方案。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=/2我们称之为/4片，若满足，即=，我们称之为/2片，若满足 ，即=2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。圆偏振光：在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定的角速度旋转( 左旋或右旋)，光矢量大小不变，光矢量的矢端轨迹是个圆，这样的光称作圆偏振光。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 斯托克斯参数的测量斯托克斯参量用来表示完全偏振光。部分偏振光及自然光。对于斯托克斯参量的测量，常用的有电光，磁光，光弹调制法，四探测器振幅分割法等。以前用的调 制发通常是：入射光通过一系列光学元件，如检偏器与相位延迟器，通过机械传动或连续的周期性调制而改变检偏光学元件的状态(如起偏振角或位相延迟角)，测出一组出射光的光强值，并对之作傅立叶分析，进而得到四个斯托克斯参数。然而这种传统方法在光偏振测量应用的新领域光束的偏振态快速变化或使用脉冲激器作光源时无法实用。近年来R，M，A，首次提出了一种既无机械运动又无调制系统的光偏振态系统，通过振幅分割方式能够实时测出所有的四个斯托克斯参数。由斯托克斯参数易于求出偏振度和琼斯矢量,与斯托克斯矢量对应的密勒矩阵和与琼斯矢量对应的琼斯是量的测量较复杂，通过分析不同偏振态的入射光通过偏振器件后的偏振态的变化来计算。2.2 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。2.3 偏振态参数琼斯矢量的测定任一偏振光，不管是线偏振光、圆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： （2-3）或复数表达形式： (2-4)式(2-3)和（2-4）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（2-4）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（2-3）中的+。若以复振幅表示，右旋圆偏振光又可以表示为： E=A+A （2-5）类似地，任一偏振光都可以表示为： E=+ （2-6）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= （2-7）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= （2-8） 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： =+ =+ （2-9） 上式写成矩阵形式：= （2-10）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： （2-11）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生产偏振光的方法和实验 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 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椭圆偏振光和圆偏振光的产生方法1.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： （ 1-8）对于负晶体有： 特例：当入射平面偏振光的电矢量振动方向与1/4波片的光轴成角时，此时，以1/4波片出射的光为椭圆偏振光。 =（-）d=（2k+1） 即：=（k+） 当k=0，2，4，.时，出射光是右旋圆偏振光；当k=1，3，5，.时，出射光是左旋圆偏振光。2.自然光改造成椭圆或圆偏振光 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。要使自然光转化为圆偏振光，首先必须通过一个偏振器和一块1/4波片，其次必须使起偏器的透振方向与1/4波片的光轴成透振方向与光轴成一个起偏器和一个1/4波片的串接组合一个圆偏振器。自然光通过偏振器后就转化为圆偏振光。3.3产生偏振光的综合实验3.3.1 实验概述本实验是在天津GSZF3型偏振光实验系统下完成的。外腔式气体激光器输出的是线偏振光。其原理是：激光管两端的布儒斯特窗被安装成使入射光的入射角成布儒斯特角。光矢量垂直于入射面的光(s波)在一个窗上的一次反射损失约占s波的15，虽然s波在激光管内会得到能力补充，但由于损失大于增益，所以激光器谐振腔不能对s波起振。而对于光矢量平行于入射面的p波，它在布儒斯特窗上没有反射损失，因而衰减很小，可以在腔内形成稳定的振荡，并从反射镜射出。这里用线偏振光而不是用自然光入射，是因为我们要讨论双折射所产生的。0光和e光的合成。若用自然光入射，初相位变化无规律，所产生的o光和e光的振动是互相独立的，不能合成。在计算机中用与GSZF-3型偏振光实验系统配置的程序GSZF-3。EXE来记录光强的相对强度，其采集间距为，波片的旋转角度为，以旋转角度为横坐标，相对强度为纵坐标，自动记录当前角度和相对强度值，作出波形曲线，根据曲线可以计算偏振光的琼斯矢量，从而得出光矢量的偏振态。3.3.2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。3.3.3 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)。3.3.4 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31确定偏振片的投射光轴方向的实验装置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，再经1/4波片，产生两束振动方向互相垂直的线偏振光，合成光为椭圆偏振光，转动波片，经过聚焦镜F放大后，输出到CCD光强探测器，在计算机上输出波形曲线。在某个特定的位置，变为圆偏振光，波形为一条近似平行于x轴的直线时，与波片W，光轴方向成角，可确定。再将置于之后，转动，在一三象限和二四象限会有一次消光(转至与互相垂直时即时)，一次光强最大(转至与互相平行时即时)，即可找出的透光轴方向。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 = = =（4-1） (1)产生线偏振光图3-2 产生线偏振光的实验装置= （3-2）= 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。由式(3-1) 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 (2)产生椭圆偏振光。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= （3-3） 又由式(31)，知产生的光的琼斯矢量： = （3-4）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。用检偏器检验圆偏振光和椭圆偏振光时，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(3)产生圆偏振光。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l4波片产生两束振动方向互相垂直的线偏振光，合成光为椭圆偏振光。转动波片再某个特定的位置，变为圆偏振光，经过聚焦镜F放大后没，输出到CCD光强探测器，在计算机上输出波形曲线。由式（3-1）和（3-3），知产生的圆偏振光琼斯矢量 （3-5）当与波片，光轴方向成角时，就能产生圆偏振光。此时固定与在某个位置，拿去，旋转，此时计算机上输出的波形应近似为一条平行于X轴的直线。实验波形图如图3-6所示：图3-64偏振光的应用实例1、汽车车灯汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时，为了避免双方车灯的眩目，司机都关闭大灯，只开小灯，放慢车速，以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片，而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角，那么，司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光，而看不到对面车灯的光，这样，汽车在夜间行驶时，即不要熄灯，也不要减速，可以保证安全行车。 另外，在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。 2、观看立体电影在拍摄立体电影时，用两个摄影机，两个摄影机的镜头相当于人的两只眼睛，它们同时分别拍下同一物体的两个画像，放映时把两个画像同时映在银幕上。如果设法使观众的一只眼睛只能看到其中一个画面，就可以使观众得到立体感。为此，在放映时，两个放放像机每个放像机镜头上放一个偏振片，两个偏振片的偏振化方向相互垂直，观众戴上用偏振片做成的眼镜，左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同，右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同，这样，银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察，在人的脑海中就形成立体化的影像了。 3、生物的生理机能与偏振光人的眼睛对光的偏振状态是不能分辨的，但某些昆虫的眼睛对偏振却很敏感。比如蜜蜂有五支眼、三支复眼、两支复眼，每个复眼包含有6300个小眼，这些小眼能根据太阳的偏光确定太阳的方位，然后以太阳为定向标来判断方向，所以蜜蜂可以准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。 再如在沙漠中，如果不带罗盘，人是会迷路的，但是沙漠中有一种蚂蚁，它能利用天空中的紫外偏光导航，因而不会迷路。 4、LCD液晶屏LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。 LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。 LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。5.总结 从偏振光在各个领域的广泛应用中，我们可以看出本研究课题-光的偏振特性与检测方法研究的重要意义。为了对偏振光有一个基本的了解，我们先概括性的介绍了偏振光的应用，详细阐述了偏振光和自然光的特点。随后具体讨论了偏振光学的基本定义，测量方法和偏振光的产生方法。 我们在天津GSZF-3型偏振光实验系统下进行产生偏振光的综合实验。主要是在计算机中用与GSZF-3型偏振光实验系统配套的程序GSZF-3.Exe来记录光强的相对强度，其采集间距为0.50，波片的旋转角度为360.00 。以旋转角度为横坐标，相对强度为纵坐标，自动记录当前角度和相对强度值，作出波形曲线，根据曲线可以计算偏振光的琼斯矢量，从而得出光矢量的偏振态，还做了线偏振光和椭圆偏振光的有关实验。人类对光的偏振特性早就做了大量的研究，发现物资中的粒子对不同偏振态的光波具有不同的响应，使得偏振光广泛用于探索物资结构与特性的研究工作。参考文献1 廖延彪.中国激光.19872 范少卿.物理光学. 北京工业学院出版社.19843 姚启钧.光学教程.高等教育出版社.20024 游璞.光学.高等教育出版社.20035 蔡履中,王成彦,周玉芳.光学. 山东大学出版社.20026 赵凯华,钟锡华.光学.北京大学出版社.19847 张三慧.大学物理学 .清华大学出版社，19928 金国藩,李景镇.激光测量学.北京科学出版社.1988 9 龙槐生.光的偏振及应用.机械工业出版社.198910 卢亚雄.矩阵光学.大连理工出版社.1989