各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性

第４１卷第１期

２０１２年１月 光　子　学　报ＡＣＴＡ　ＰＨＯＴＯＮＩＣＡ　ＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．４１Ｎｏ．１

Ｊａｎｕａｒｙ　

２０１２ 基金项目：

重庆市教委科技项目基金（Ｎｏ．ＫＪ１００７１７）资助第一作者：刘启能（１９５７－），男，教授，主要研究方向为光学和声学．Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｑｉｎｅｎｇ

＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ收稿日期：２０１１－０６－２７；修回日期：２０１１－１０－

３０ｄｏｉ：１０．３７８８／ｇ

ｚｘｂ２０１２４１０１．０１１６各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性

刘启能

（重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心；计算机科学与信息工程学院，重庆４０００６７

）摘　要：为了研究一维各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性，利用传输矩阵法计算了ＴＥ波和ＴＭ波以大于全反射角入射一维各向异性光子晶体时的透射率，在透射波中发现了ＴＥ波和ＴＭ

波的一、二级全反射隧穿带．得出了与一维各向同性光子晶体的全反射隧穿效应的不同点，即ＴＥ波和ＴＭ波的一、二级全反射隧穿带的频率中心和频率宽度存在着较大的差异，利用这个特性可以将两种偏振光进行频率分离，为设计优质偏振滤波器提供理论依据．关键词：各向异性光子晶体；全反射；隧穿效应；偏振中图分类号：Ｏ４３６ 文献标识码：Ａ

文章编号：１００４－４２１３（２０１２）０１－０１１６－

５０　引言

光子晶体的概念是由Ｓ．Ｊｏｈｎ和Ｅ．

Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ在１９８７年分别提出来的［１－２］

．

所谓光子晶体就是其折射率呈周期性变化的人造带隙材料．

光在光子晶体中传播时会与光子晶体的周期结构发生相互作用，从而产生带隙．利用光子晶体的带隙可以十分方便地控制光波的传播，因此光子晶体在现代科学技术上有着十分广泛的应用前景．这使得对光子晶体的研究成为目前光学的前沿领域内一个活跃的问题．

目前对一维光子晶体的研究中，在研究方法、带隙特性、

缺陷模特性以及滤波理论等方面都取得了丰富成果［２－

１３］．文献［１４］

中研究了光以大于全反射角入射一维各向同性光子晶体时出现的全反射隧穿现象，得出了一维各向同性光子晶体的全反射隧穿现象随入射角和结构参量的变化特征．文献［１５］进一步研究了一维各向同性光子晶体的全反射隧穿效应的滤波特性，发现一维各向同性光子晶体的全反射隧穿效应比一维掺杂光子晶体具有更好的梳妆滤波特性．对于光子晶体出现的全反射隧穿这一新现象还有很多问题没有弄清楚，

有待做进一步的研究．由于两种偏振光（ＴＥ波和ＴＭ波）在各向异性介质中传播的光程不同，会使两种偏振光在一维各向异性光子晶体中的传输特性与一维各向同性光子晶体

相比有着很大差异［１３］

．

本文将利用传输矩阵法研究ＴＥ波和ＴＭ波两种偏振光以大于全反射角入射一

维各向异性光子晶体时的传输特性．

１　模型与方法

各异性材料／各向同性材料构成的一维光子晶体由各向异性介质硝酸钠和各向同性介质碲化铅周期性交替组成，

如图１．硝酸钠是单轴晶体，其光轴如图中 所示，它的两个折射率分别为ｎｏ＝１．５８７和ｎｅ＝１．３３６，其厚度为ｄ１＝９５ｎｍ．碲化铅折射率为ｎ２＝４．１，其厚度为ｄ２＝３７ｎｍ．当ＴＥ波在硝酸钠传播时其折射率为ｎｅ＝１．３３６，当ＴＭ波在硝酸钠传播时其折射率为ｎｏ＝１．５８７．设入射空

间和出射空间的介质也为碲化铅，由于该光子晶体的两边空间都为碲化铅，因此它的周期数为Ｎ＋０．５，Ｎ

为整数．又因ｎ２＞ｎｏ、ｎ２＞ｎｅ，所以当ＴＥ波和ＴＭ波以大于全反射角入射该一维各向异性光子晶体时都会出现全反射现象．

图１　一维各向异性光子晶体

Ｆｉｇ．１　１Ｄａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙ

ｓｔａｌ为了研究ＴＥ波和ＴＭ波以大于全反射角入射该一维各向异性光子晶体时出现的全反射隧穿效应，利用文献［１６］中推出的分层介质中光波的传输矩阵，其一个周期的传输矩阵ｍ为

ｍ＝ｍ２１ｍ１ｍ１２

ｍ２（１

）

１期刘启能：各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性式中

ｍ１＝

ｅ－ｉ　ｋ１ｄ１ｃｏｓθ１０

０ｅｉ　ｋ１ｄ１ｃｏｓθ［］１

ｍ２＝

ｅ－ｉ　ｋ２ｄ２ｃｏｓθ２０

０ｅｉ　ｋ２ｄ２ｃｏｓθ

［］２（２）

对ＴＥ波有

ｍｉｊ＝１

２

１＋

ｎｊｃｏｓθｊ

ｎｉｃｏｓθｉ

１－

ｎｊｃｏｓθｊ

ｎｉｃｏｓθｉ

１－

ｎｊｃｏｓθｊ

ｎｉｃｏｓθｉ

１＋

ｎｊｃｏｓθｊ

ｎｉｃｏｓθ

烄

烆

烌

烎

ｉ

（３）

对ＴＭ波有

ｍｉｊ＝１

２

ｎｊ

ｎｉ

＋

ｃｏｓθｊ

ｃｏｓθｉ

ｎｊ

ｎｉ

－

ｃｏｓθｊ

ｃｏｓθｉ

ｎｊ

ｎｉ

－

ｃｏｓθｊ

ｃｏｓθｉ

ｎｊ

ｎｉ

＋

ｃｏｓθｊ

ｃｏｓθ

烄

烆

烌

烎

ｉ

（４）

式中θ为传播角，ｎ为折射率，ｋ＝２π／λ为波矢．整个光子晶体的传输矩阵Ｍ为

Ｍ＝

Ｍ１１Ｍ１２

Ｍ２１Ｍ

［］

２２

＝ｍＮ（ｍ２１ｍ１ｍ１２）（５）

光通过该光子晶体的反射系数ｒ分别为

ｒ＝Ｍ２１／Ｍ１１（６）不计材料的吸收时，光通过该光子晶体的透射率Ｔ为

Ｔ＝１－ｒ２（７）

利用式（１）～（７）可以研究ＴＥ波和ＴＭ波以大于全反射角入射该一维各向异性光子晶体时出现的全反射隧穿效应．下面的计算中取中心波长λ０＝６００ｎｍ、Ｎ＝５、中心圆频率ω０＝２πｃ／λ０（ｃ为真空中的光速），设归一化频率ｇ＝ω／ω０（ω为入射光的圆频率）．

２　全反射遂穿效应

由光的折射定律可知，当光从折射率（ｎ２）大的介质入射到折射率（ｎｅ和ｎｏ）小的介质的分界面时会出现全反射现象，对ＴＥ波其全反射角为θＴＥ＝ａｒｃｓｉｎ　ｎｅ／ｎ２＝０．３３ｒａｄ，对ＴＭ波其全反射角为θＴＭ＝ａｒｃｓｉｎ　ｎｏ／ｎ２＝０．４０ｒａｄ．为了便于比较，计算出ＴＥ波和ＴＭ波从碲化铅中射入到硝酸钠单一界面上其透射率随入射角的响应曲线，如图２，由图２可以清楚地看出：

１）当ＴＥ波小于全反射角入射时透射率随入射角的增加而减小，当入射角接近全反射角（０．３３ｒａｄ）时透射率迅速降低为０．当入射角大于全反射角时透射率恒为０，这表明ＴＥ波不能进入硝酸钠内．２）当ＴＭ波小于全反射角入射时透射率随入射角的增加而增大，当入射角接近全反射角（０．４０ｒａｄ

）

图２　单一界面上透射率随入射角的响应曲线

Ｆｉｇ．２　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｖｅｒｓｕｓ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ

时透射率迅速降低为０．当入射角大于全反射角时透射率恒为０，这表明ＴＭ波也不能进入硝酸钠内．上述结果这表明对于单一界面，当ＴＥ波和ＴＭ波大于全反射角入射时都不能产生全反射隧穿现象，并且这一特征与入射波的频率无关．

再来研究ＴＥ波和ＴＭ波入射该一维各向异性光子晶体的情况，计算出归一化频率ｇ＝１的ＴＥ波和ＴＭ波入射该光子晶体时其透射率随入射角的响应曲线，如图３．由图３可以清楚地看出它与图２有明显的不同

．

图３　光子晶体的透射率随入射角的响应曲线

Ｆｉｇ．３　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ　ｖｅｒｓｕｓ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ

１）当归一化频率ｇ＝１的ＴＥ波小于全反射角入射时透射率都为０，即在θ０＝０～０．３３ｒａｄ范围内出现了禁带，这是光子晶体的基本特性．但当ＴＥ波大于全反射角（０．３３ｒａｄ）入射时出现了新的现象，在入射角θ０＝０．６０～０．７５ｒａｄ间出现了多个明显的透射峰，将这一新现象称为全反射隧穿效应．２）当归一化频率ｇ＝１的ＴＭ波小于全反射角入射时，在θ０＝０～０．２７ｒａｄ范围内透射率为０是禁带，在θ０＝０．２７～０．４０ｒａｄ范围内其透射率为１是导带．但当ＴＭ波大于全反射角（０．４０ｒａｄ）入射时也出现了新的现象，在入射角θ０＝０．４０～０．４７ｒａｄ间出现了透射率为１的透射峰带．这表明ＴＭ波大于全反射角入射该一维各向异性光子晶体时也会产

７

１

１

光　子　学　报４１卷

生全反射隧穿效应．

上述结果表明当ＴＥ波和ＴＭ波两个偏振光以大于全反射角入射一维各向异性光子晶体时都会出现全反射隧穿效应．

为了弄清两个偏振光的全反射隧穿效应的变化规律，分别从三个方面给予研究，即ＴＥ波和ＴＭ波的全反射隧穿效应随入射角的变化特征、随频率的变化特征、随各向异性介质厚度的变化特征．２．１　隧穿效应随入射角的响应

为了研究ＴＥ波和ＴＭ波的全反射隧穿效应随入射角的响应特征，固定Ｎ＝５，计算出ＴＥ波和ＴＭ波的全反射隧穿效应的频率随入射角的响应曲线，如图４．在图４中横坐标表示入射角，纵坐标表示入射波的归一化频率，白色部分为全反射隧穿带，黑色部分为禁带．由图４可以看出

：

图４　隧穿带的频率随入射角的响应曲线

Ｆｉｇ．４　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　

ｖｅｒｓｕｓ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ１）对于ＴＥ波在入射角大于全反射角θＴＥ＝

０．３３ｒａｄ的区域内出现了两条全反射隧穿带，

归一Ｔ化频率较低的一条其频率范围较宽、

对应的入射角范围较大，全反射隧穿带明显，作者将其称为一级全反射隧穿带．归一化频率较高的一条其频率范围较窄、

对应的入射角范围较小，全反射隧穿效应较弱，作者将其称为二级全反射隧穿带．在文献［１２］的研究中没有发现二级全反射隧穿带．对于一级全反射隧穿带，随着入射角的逐渐增大其频率中心逐渐增加、而频率宽度逐渐减小．当入射角增大到０．８０ｒａｄ

时，全反射隧穿带的频率宽度减小为零，全反射隧穿现象消失．对于二级全反射隧穿带其频率中心和频率宽度随入射角的变化规律与一级全反射隧穿带相似．一级和二级全反射隧穿带随入射角的逐渐增大会分裂为多条细带．

２）对于ＴＭ波在入射角大于全反射角θＴＭ＝０．４０ｒａｄ的区域内也出现了一级和二级全反射隧穿带．ＴＭ波的二级全反射隧穿带比ＴＥ波的更加明

显，但ＴＭ波的一级和二级全反射隧穿带对应的入射角范围比ＴＥ波小．ＴＭ波一级和二级全反射隧穿带的频率中心随入射角的增大而增加，其频率宽度随入射角的增大而减小．２．２　隧穿效应的频率特性

为了研究ＴＥ波和ＴＭ波的一级、二级全反射隧穿带的频率特性，对于ＴＥ波固定入射角θ０＝

０．３５ｒａｄ，对于ＴＭ波固定入射角θ０＝０．４３ｒａｄ，计算出ＴＥ波和ＴＭ波的透射率随频率的响应曲线，如图５．由图５可以看出

：

图５　透射率随频率的响应曲线

Ｆｉｇ．５　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　

ｖｅｒｓｕｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ１）当ＴＥ波以入射角θ０＝

０．３５ｒａｄ入射时，一级全反射隧穿带的频率范围在ｇ＝０～０．８之间，一级全反射隧穿带由５个峰组成．二级全反射隧穿带的频率范围在ｇ＝２．２～２．４之间，二级全反射隧穿带也是由５个峰组成，并且这５个峰之间的间隔清晰、

频率间距均匀，具有很好的梳状滤波特性，可以利用它来设计优质梳状ＴＥ波偏振滤波器．２）当ＴＭ波以入射角θ０＝

０．４３ｒａｄ入射时，一级全反射隧穿带的频率范围在ｇ＝０～１．６之间，比ＴＥ波的频率范围宽，

一级全反射隧穿带也由５个８１１

１期刘启能：各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性

峰组成．二级全反射隧穿带的频率范围在ｇ＝３．２～３．５之间，

二级全反射隧穿带也是由５个峰组成，并且这５个峰之间的间隔清晰、

频率间距均匀，具有很好的梳状滤波特性，可以利用它来设计优质梳状ＴＭ波偏振滤波器．

２．３　隧穿效应随各向异性介质厚度的响应

引起各向异性光子晶体与各向同性光子晶体的传输特性差异的原因在于各向异性介质折射率的特殊性质，

这里研究各向异性介质的厚度对全反射隧穿效应产生的响应．固定ｄ２＝３７ｎｍ，令各向异性介质的厚度ｄ１＝Ｘ×３７ｎｍ，Ｘ为无量纲的参变量，通过Ｘ的变化来描述各向异性介质的厚度变化．为了便于对比，令ＴＥ波和ＴＭ波以同一入射角θ０＝

０．

４２ｒａｄ入射，计算出ＴＥ波和ＴＭ波的全反射隧穿带的频率随各向异性介质厚度的响应曲线，如图６．

图６白色部分为全反射隧穿带，黑色部分为禁带．由图６可以看出

：

图６　频率随各向异性介质厚度的响应曲线

Ｆｉｇ．６　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　

ｖｅｒｓｕｓ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ１）当ＴＥ波以入射角θ０＝

０．４２ｒａｄ入射时，一级全反射隧穿带为图中下部分的白色宽带，其下边缘的归一化频率为ｇ＝０，其上边缘的归一化频率随各向异性介质厚度的增加而减小．二级全反射隧穿带为图中间的细白色带，其归一化频率随各向异性介质厚度的增加而减小．

２）当ＴＭ波以入射角θ０＝

０．４２ｒａｄ入射时，一级全反射隧穿带也为图中下部分的白色宽带，其下边缘的归一化频率为ｇ＝０，上边缘的归一化频率随各向异性介质厚度的增加而减小．ＴＭ波的一级

全反射隧穿带的频率宽度明显大于ＴＥ波．二级全反射隧穿带也为图中间的细白色带，其归一化频率随各向异性介质厚度的增加而减小．ＴＭ波的二级全反射隧穿带的频率宽度明显大于ＴＥ波，并且在相同各向异性介质厚度下ＴＭ波的二级全反射隧穿带的频率中心较ＴＥ波大，利用这一特征可以将两种偏振光进行频率分离，这为设计优质偏振滤波器提供理论依据．这一特征一维各向同性光子晶体不具有的．

３　结论

本文利用传输矩阵法研究了ＴＥ波和ＴＭ波以大于全反射角入射一维各向异性光子晶体时所产生的全反射隧穿效应．通过计算发现当ＴＥ波和ＴＭ波以大于全反射角入射一维各向异性光子晶体时不仅会出现一级全反射隧穿带，

而且还会出现二级全反射隧穿带．ＴＥ波和ＴＭ波的一、二级全反射隧穿带随入射角和各向异性介质厚度的变化有相似的特征．它们的频率中心都随入射角的增大而增大，全反射隧穿效应都随入射角的增大而减弱．它们的频率中心都随各向异性介质厚度增大而减小．得出了与一维各向同性光子晶体的全反射隧穿效应的不同点，即ＴＥ波和ＴＭ波的一、二级全反射隧穿带的频率中心和频率宽度存在较大的差异，利用这个特性可以将ＴＥ波和ＴＭ波两种偏振光进行频率分离，为设计优质偏振滤波器提供理论依据．

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１１

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２３５．［１５］　ＬＩＵ　Ｑｉ－ｎｅｎｇ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ｓｔｕｄｙ　

ｏｆ　ｔｏｔａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｈｅｆｆｅｃｔ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｆｉｌｔｅｒ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ［Ｊ］．Ｈｉｇ

ｈ　ＰｏｗｅｒＬａｓｅｒ　ａｎｄ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｂｅａｍｓ，２０１１，２３（４）：１０９１－

１０９４．刘启能．光子晶体全反射贯穿偏振滤波器的理论研究［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１１，２３（４）：１０９１－

１０９４．［１６］　ＬＩＵ　Ｑｉ－ｎｅｎｇ．Ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｈａｔ　ｓｔｕｄｙ　

ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ　ｍｅｄｉｕｍ［Ｊ］．Ｌａｓｅｒ　

Ｊｏｕｒｎａｌ，２００９，３０（３）：１４－

１５．刘启能．一种研究电磁波在分层介质中传输的新方法［Ｊ］．激光杂志，２００９，３０（３）：１４－

１５．Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｐ

ｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｏｔａｌ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　１ＤＡｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　Ｃｒｙ

ｓｔａｌＬＩＵ　Ｑｉ－ｎｅｎｇ

（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｗａｓｔｅ　Ｏｉｌ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　

ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ）；Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ａｎｄ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４

０００６７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　

ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｏｔａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　１Ｄａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ，ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｍａｔｒｉｘ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ａｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ　

ｏｆ　ＴＥ　ｗａｖｅ　ａｎｄ　ＴＭ　ｗａｖｅ　ａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ　ｗｈｅｎ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｆｕｌｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｇ

ｌｅ．１ｇｒａｄｅ　ａｎｄ　２ｇｒａｄｅ　ｔｏｔａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌｅｆｆｅｃｔｓ　ａｒｅ　ｆｏｕｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｗａｖｅ．Ｓｏｍｅ　ｎｅｗ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｏｔａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　１Ｄａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ　ａｒｅ　ｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｕｎｎｅｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　ｏｆ　ＴＥ　ｗａｖｅ　ａｎｄ　ＴＭ　ｗａｖｅ　ｈａｖｅ　ｇ

ｒｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　

ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＴＥ　ｗａｖｅ　ａｎｄ　ＴＭ　ｗａｖｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｑｕａｌｉｔｙ　ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　

ｆｉｌｔｅｒ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌ；Ｔｏｔａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；Ｔｕｎｎｅｌ　ｅｆｆｅｃｔ；Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ０２１

光的偏振特性研究

实验7 光的偏振特性研究 光的干涉衍射现象揭示了光的波动性，但是还不能说明光波是纵波还是横波。而光的偏振现象清楚地显示其振动方向与传播方向垂直，说明光是横波。1808年法国物理学家马吕斯（Malus,1775—1812）研究双折射时发现折射的两束光在两个互相垂直的平面上偏振。此后又有布儒斯特（Brewster,1781—1868）定律和色偏振等一些新发现。 光的偏振有别于光的其它性质，人的感觉器官不能感觉偏振的存在。光的偏振使人们对光的传播规律(反射、折射、吸收和散射)有了新的认识。本实验通过对偏振光的观察、分析和测量，加深对光的偏振基本规律的认识和理解。 偏振光的应用很广泛，从立体电影、晶体性质研究到光学计量、光弹、薄膜、光通信、实验应力分析等技术领域都有巧妙的应用。 一、实验目的 1. 观察光的偏振现象，了解偏振光的产生方法和检验方法。 2. 了解波片的作用和用1/4波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。 3. 通过布儒斯特角的测定，测得玻璃的折射率。 4. 验证马吕斯定律。 二、实验原理 1. 自然光和偏振光 光是一种电磁波，电磁波中的电矢量E就是光波的振动矢量，称作光矢量。通常，光源发出的光波，其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振态。光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。按照光矢量振动的不同状态，通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。 如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后，光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势，而使其分布对传播方向不再对称。具有这种取向特征的光，统称为偏振光。 偏振光可分为部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光。如果光矢量可以采取任何方向，但不同方向的振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，这种光为部分偏振光。如果光矢量的振动限于某一固定方向，则这种光称为线偏振光或平面偏振光。如果光矢量的大小和方向随时间作有规律的变化，且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆，则称为椭圆偏振光；如果是圆则称为圆偏振光。 将自然光变成偏振光的过程称为起偏，用于起偏的装置称为起偏器；鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，它所使用的装置称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是可以通用的。本实验所用的起偏器和检偏器均为分子型薄膜偏振片。

第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应

第三章单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 3.1.2 单模工作模特性及光功率分布 (3) 3.1.3单模光纤中LP01模的高斯近似 (4) 3.2 单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） (6) 3.2.1双折射概念 (6) 3.2.2 偏振模色散概念 (8) 3.2.3 单模光纤中偏振状态的演化 (9) 3.2.4 单模单偏振光纤 (10) 3.3单模光纤色散 (11) 3.3.1 色散概述 (11) 3.3.2 单模光纤的色散系数 (13) 3.4 单模光纤中的非线性效应 (15) 3.4.1 受激拉曼散射（SRS） (16) 3.4.2 受激布里渊散射（SBS） (19) 3.5 非线性折射率及相关非线性现象 (21) 3.5.1 光纤的非线性折射率 (21) 3.5.2 与非线性折射率有关的非线性现象 (22) 3.5.3 自相位调制 (23) 第三章单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 3.1 单模光纤的传输特性 单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。例如在阶跃型光纤只传播HE11模（或LP01）的光纤。

由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤要小的多，因而单模光纤拥有巨大的传输带宽。长途光纤通信系统都无例外的采用单模光纤作为传输介质。由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的传输介质，所以对单模光纤分析并掌握其传输特性就显得尤为重要。单模光纤的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。 3.1.1 单模条件和截止波长 阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化截止频率为2.405。单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及其它高次模都被截止，这就意味着归一化工作频率应满足条件：0

空间目标的光学偏振特性研究

第37卷第7期 光电工程V ol.37, No.7 2010年7月Opto-Electronic Engineering July, 2010 文章编号：1003-501X(2010)07-0024-06 空间目标的光学偏振特性研究 李雅男，孙晓兵，乔延利，洪津，张荞 ( 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室；安徽光学精密机械研究所，合肥 230031 ) 摘要：偏振特性是光与物质相互作用所表现的重要特性之一，与物质的性质密切相关。空间目标偏振特性可能会因为特定空间目标组成材料和空间目标轨道不同而存在差异，因此为空间目标的探测和识别提供了科学依据。本文通过空间目标材料以及典型空间目标模型的多角度偏振成像特性试验测量，分析了空间目标偏振特性及其变化机理。结果表明，空间目标表面材料的偏振特性对于目标的识别具有很重要的作用，太阳能电池板的姿态对卫星的偏振特性影响尤为明显。本文研究可以为空间目标光学偏振探测与识别提供应用基础研究支持。 关键词：物理光学；目标探测；偏振特性；空间目标 中图分类号：O436.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.07.005 Photopolarimetric Characteristic of Space Target LI Ya-nan，SUN Xiao-bing，QIAO Yan-li，HONG Jin，ZHANG Qiao ( Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China ) Abstract：Polarization is one of the important optical characteristics of target. Certain materials used in constructing satellites possess unique polarization because of certain space target designs and different orbits. Thus polarization can be considered for target detection and recognition. Photopolarimetric characteristic of space target materials and model are measured and analyzed. Results show that the polarization properties of material are significant for target detection, and the attitude of solar panel has great effect on the polarization of satellite. This research can give support to the application for space target detection and recognition. Key words：physical optics; target detection; polarization; space target 0 引 言 地基光学探测系统对深空目标的探测有重要的作用，为了达到探测和识别目标的目的目前已经发展了若干种探测手段[1]，例如，Sanchez等根据高轨碎片的光度特性来判断目标的生存状态以及特征[2]，通过同时性的多色测光来判断不同卫星平台[3]。Jorgensen等人表明由于不同材料的空间目标具有不同的光谱反射率，因此采用低色散光谱观测对于目标的识别有重要的作用[4]。而目标的偏振特性由于反映了材料的本征特性也在空间目标的探测中也得到了应用，Stead在美国俄亥俄州Sulphur Grove观测站，在光电望远镜上加上偏振分析器完成空间目标的偏振观测，测量到一个卫星的偏振度最大达39％[5]。Kissel研究表明空间目标反射太阳光的偏振程度是很高的，并将偏振结果看成由漫反射和镜反射混合而产生的，按照这种假设理论计算与观测结果符合的比较好，他认为这足以证明偏振特性可以作为研究空间目标材料在太空中所受的影响[6]，Beavers等人通过不同形状的卫星的光学偏振观测，表明偏振观测可以作为测试在轨目标状态、判断目标材料、探测目标在深空中暴露对其光学特性影响的一种手段，并将铝质材料和太阳能板表面的卫 收稿日期：2010-01-11；收到修改稿日期：2010-05-11 基金项目：国家863计划资助课题(2002AA731041)；安徽省红外与低温等离子体重点实验室基金项目资助课题(2007C003018F) 作者简介：李雅男(1984-)，女(汉族)，江西九江人。博士生，主要从事遥感信息定量化的研究。E-mail：yananli@https://www.wendangku.net/doc/e86032754.html,。

(最新整理)反射光的偏振特性

(完整)反射光的偏振特性 编辑整理： 尊敬的读者朋友们： 这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（(完整)反射光的偏振特性）的内容能够给您的工作和学习带来便利。同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。 本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为(完整)反射光的偏振特性的全部内容。

反射光的偏振特性—布儒斯特角的测量 1808年马吕斯（1775-1812）发现了光的偏振现象。通过深入研究，证明了光波是横波，使 人们进一步认识了光的本质。随着科学技术的发展，偏振光技术在各个领域都得到了广泛应用， 特别是在光学计量、实验应力分析、晶体性质研究和激光等方面更为突出.在我们日常生活和工 作中，太阳光、照明用光一般多为自然光。而自然光经过一些材料的反射和透射后可能变成部分 偏振光.自然光经过一些特殊材料，如偏振片或双折射晶体材料制作的棱镜后,就会变成线偏振光. 线偏振光经过波片后就可能成为椭圆偏振光。 【目的与要求】 1.用最小偏向角法测量棱镜材料的折射率。 2.测量通过起偏器、1/4波片后的光的偏振特性，了解线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的特点. 3。通过观察从棱镜材料表面反射回来的光的偏振特性，了解反射光的偏振特性，测量出布儒斯特角。 4.用测量值验证布儒斯特角公式的正确性。 【实验原理】 一、棱镜材料的折射率的测量 当一束光斜入射于棱镜表面时，其光路如图1所示。

n 为材料的折射率. 同理出射角γ/ 为sinγ/= sini//n （–1） 根据几何关系可以证明入射光与出射光之间的夹角为：δ=i＋γ/－A,而且δ有一个极小值δmin ，可以证明：当光束偏转角为δmin时，有i=γ/γ= i/, 此时δ=2i－A 即i=（δ＋A）/2 而A=γ＋i/=2γγ=A/2 由（–1）式可得： n=sin[（A+δmin）/2］/sin（A/2）（–2）因此，只要我们测量出δmin，用（–2）就可得到材料相对于该测量光的折射率n。 二、偏振光 光是一种横波,它的振动方向是与传播方向相互垂直的。偏振是指光波的振动方向在空间上的一种相对取向的现象。当这个振动方向在垂直于传播方向的平面内可取所有可能的方向，并且没有一个方向占优势时，我们称之为自然光或非偏振光。而如果有某一个方向上的振动占优势时，则称之为部分偏振光。只有一个单一的振动方向的光叫线偏振光，而在一个振动周期内其振动矢量的端点的轨迹为一个圆或椭圆时,我们称之为圆偏振光或椭圆偏振光。 在我们日常生活和工作中，太阳光、照明用光一般多为自然光。而自然光经过一些材料的反射和透射后可能变成部分偏振光.自然光经过一些特殊材料，如偏振片或双折射晶体材料制作的棱镜后，就会变成线偏振光，一些激光器也可产生很好的线偏振光。线偏振光经过波片后就可能成为椭圆偏振光。 在本实验中,我们将通过多种实验手段来产生线偏振光和椭圆偏振光（圆偏振光被看成是一个特例）。 偏振光的数学描述： 对于线偏振光和椭圆偏振光，在数学上我们常用两个垂直振动的合成来描述。在与光传播方向相垂直的平面内取一个直角坐标系，将代表振动特性的电矢量E分解成Ex和Ey，它们是同频ω，假设相位相差δ,振幅分别为Ax和Ay，即

1光的偏振现象的研究134

光的偏振现象的研究 光的偏振现象是波动光学中的一种重要现象，在诸如光调制器、光开关、应力分析等方面有着广泛的应用。 实验目的 1.观察光的偏振现象，掌握起偏和检偏的方法，验证马吕斯定律。 2.了解产生椭圆偏振光和圆偏振光的方法及波片的作用，检测偏振光干涉的光强。 实验原理及方法 1. 自然光和偏振光 光波是一种电磁波，其电矢量E和磁矢量H相互垂直，且均与光的传播方向垂直。由于光对物质的作用主要是电矢量的作用，所以电矢量又称为光矢量。通常以电矢量的方向代表光的振动方向，并将电矢量和光传播方向所构成的平面称为振动面。 普通光源含有大量发光原子或分子。单个原子和分子发出的光，其光矢量有一定的方向，但大量的原子和分子发出的光其光矢量具有一切可能的方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。在与光传播方向垂直的平面内，光矢量有均匀对称分布的特点。这种光称为自然光（非偏振光）。如果光振动在某一方向占优势，这种光称为部分偏振光；如果光矢量只沿某一固定方向振动，这种光称为线偏振光或平面偏振光，见图1。如果在垂直于光传播方向的平面内，光矢量以一定频率绕传播方向转动，其矢端轨迹为一个圆或椭圆，这种光称为圆偏振光或椭圆偏振光。 图1 能使自然光变为偏振光的器件称为起偏器，能够检验偏振态的器件称为检偏器（起偏器和检偏器一般可以通用）。产生和检验偏振光的过程分别称为起偏和检偏。下面介绍起偏和检偏的常用方法。 2. 产生平面偏振光的方法 2.1 二向色性起偏 某些晶体内部有一个特殊的方向（称为透光方向），沿透光方向的光振动几乎可以全部

透过，与透光方向垂直的光振动几乎全被吸收。这种选择吸收的特性称为二向色性。偏振片就是利用二向色性制成的器件，自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光，如图2所示。 图2 二向色性起偏 图3 晶体双折射起偏 2.2 双折射现象 自然光射到某些各向异性晶体（如方解石、石英等）上时，在晶体内分为两束平面偏振光，如图3所示。一束称为寻常光（o 光），另一束称为非常光（e 光），两束光的振动面相互垂直。这种现象称为双折射。利用双折射制成的起偏器有尼科尔棱镜、格兰棱镜等。 研究发现，光沿某特殊方向在晶体传播时不发生双折射，也不能起偏，这个方向称为双折射晶体的光轴。 如图4所示，当自然光投射到两种透明媒质的界面上时，反射光和折射光一般成为部分偏振光。如果入射角B ?满足布儒斯特定律 21/B tg n n ?= (n 1，n 2为二种媒质的折射率) 则反射光成为平面偏振光，其振动面垂直入射面，而透射光仍为部分偏振光。利用多块玻璃叠成的玻璃片，可以提高透射光的偏振程度，如图5所示。 图4 反射光和折射光的偏振态的变化 图5 用玻璃堆产生平面偏振光 3．1/4波片和圆偏振光、椭圆偏振光的产生 如图6所示，当振幅为A 的单色平面偏振光垂直射入双折射晶片后，产生双折射，入

第三章 单模光纤传输特性及光纤中非线性效应培训资料

第三章单模光纤传输特性及光纤中非线 性效应

第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 3.1.2 单模工作模特性及光功率分布 (3) 3.1.3单模光纤中LP 01模的高斯近似 (4) 3.2 单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） (5) 3.2.1双折射概念 (5) 3.2.2 偏振模色散概念 (6) 3.2.3 单模光纤中偏振状态的演化 (7) 3.2.4 单模单偏振光纤 (8) 3.3单模光纤色散 (9) 3.3.1 色散概述 (9) 3.3.2 单模光纤的色散系数 (10) 3.4 单模光纤中的非线性效应 (12) 3.4.1 受激拉曼散射（SRS ） (12) 3.4.2 受激布里渊散射（SBS ） (14) 3.5 非线性折射率及相关非线性现象 (15) 3.5.1 光纤的非线性折射率 (15) 3.5.2 与非线性折射率有关的非线性现象 (16) 3.5.3 自相位调制 (17) 第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 3.1 单模光纤的传输特性 单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。例如在阶跃 型光纤只传播HE 11模（或LP 01）的光纤。 由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤 要小的多，因而单模光纤拥有巨大的传输带宽。长途光纤通信系统都无例外的 采用单模光纤作为传输介质。由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的 传输介质，所以对单模光纤分析并掌握其传输特性就显得尤为重要。单模光纤 的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。 3.1.1 单模条件和截止波长 阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化 截止频率为2.405。单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及 其它高次模都被截止，这就意味着归一化工作频率应满足条件：0

第十一节反射光和折射光的偏振

§10.11 反射光和折射光的偏振 一、反射光和折射光的偏振 当自然光在介质表面反射、折射时，偏振度要发生变化。其反射光是部分偏振光，反射光垂直入射面的分量垂直分量)比例大(·多| 少)：折射光也是部分偏振光，平行入射面的分量(平行分量)比例大( | 多·少)。 随着入射角i变化，反射光、折射光的偏振度也变。 二、布儒斯特定律( Brewster Law) 1 布儒斯特角 设：入射角为i0,折射角为r0，若有i0＋r0＝900（反射光与入射光垂直），则：反射光是垂直于入射面的完全偏振光，折射光是平行于入射面的部分偏振光。 即当i = i0时，反射光是线偏振光(只有垂直分量)。 称i0为布儒斯特角(Brewster angle)或起偏角(polarizing angle)。 2 布儒斯特定律 若i0＋r0＝900 折射线? 反射线 则 由折射定律可知 是2介质对于1介质的相对折射率。 例n1=1.00(空气)，n2=1.50(玻璃)。 空气?玻璃 i0 = tg-1(1.50/1.00) = 56?18? 玻璃?空气 i ?0 = tg-1(1.00/1.50) = 33?42? 两角互余 满足布儒斯特定律时，折射光仍为部分偏振光( 平行分量多，垂直分量少)。此时，平行分量( | )全部折射，垂直分量(·)有反射有折射。 思考：(1)如何测量不透明介质的折射率？ (2)在拍摄玻璃窗内的物体时，如何去掉反射光的干扰？ 三、用玻璃片堆起偏 玻璃片上表面反射，入射角是布儒斯特角(由空气?玻璃)； 玻璃片下表面反射，入射角也是布儒斯特角(由玻璃?空气)。 每反射一次，垂直振动(S)将反射掉一批，折射光中的垂直(S)振动将逐渐减少， 经多片玻璃片反射，折射光接近为只含平行分量的线偏振光(只含| 振动)。 实例：外腔式激光管加装布儒斯特窗，可使出射光为线偏振光，并减少反射损失。 实例：立体电影原理 四、其它的起偏方式 1 双折射法： 晶体是各向异性媒质，双折射晶体内原子按一定规律排列，使晶体在不同方向上，结构不同，性质不同，对光学而言，即光的传播速度各向异性。如由方解石制作的尼科尔棱镜。 2 晶体的二向色性

名称光的偏振现象的研究

图2 二向色性起偏 实验名称 光的偏振现象的研究 （请携带并参阅大学物理课本） 姓 名 学 号 班 级 桌 号 教 室 基教1406 实验日期 20 年 月 日 时段 指导教师 一. 实验目的 1. 观察光的偏振现象，加深对光偏振基本规律的认识； 2. 了解产生和检验偏振光的基本方法； 3. 验证马吕斯定律； 4．1/2波片，1/4波片的研究； 5.利用旋光现象测定蔗糖溶液浓度. 二. 实验仪器 导轨和机座, 带布儒斯特窗的氦氖激光器, 激光器架, 偏振片、波片架, 滑动座(4个)， 光传感器(光电探头)，光功率测试仪，偏振片（2个），1/2波片（波长632.8nm ），1/4波片（波 长632.8nm ），透明蔗糖溶液，螺丝刀。 三. 实验原理 1. 偏振光的基本概念 光波是一种电磁波，它的电矢量 和磁矢量 相互垂直，并垂直于光的传播方向C 。通常人们用电矢量 代表光的振动方向，并将电矢量和光的传播方向C 所构成的平面称为光的振动面。在传播过程中，电矢量的振动方向始终在某一确定方向的光称为平面偏振光或线偏振光，如图1(a)所示。振动面的取向和光波电矢 评 分 教师签字 图1 平面偏振光、自然光和部分偏振光

图3 双折射起偏原理图 量的大小随时间作有规律的变化，光波电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆时，称为椭圆偏振光或圆偏振光，人眼逆光来看，若电矢量末端按照顺时针方向旋转，则称为右旋椭圆或右旋圆偏振光，反之为左旋。通常光源发出的光波有与光波传播方向相垂直的一切可能的振动方向，没有一个方向的振动比其它方向更占优势。这种光源发射的光对外不显现偏振的性质，称为自然光，如图1(b)所示；如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定方向上占优势，则此偏振光称为部分偏振光，如图1(c)所示。将自然光变成偏振光的器件称为起偏器，用来检验偏振光的器件称为检偏器。实际上，起偏器和检偏器是互为通用的。下面介绍几种常用的起偏和检偏方法。 ２. 二向色性起偏、马呂斯定律、双折射起偏及波片 物质对不同方向的光振动具有选择吸收的性质，称为二向色性。当自然光射到偏振片上时，振动方向与透振方向垂直的光被吸收，振动方向与透振方向平行的光透过偏振片，从而获得偏振光。自然光透过偏振片后，只剩下沿透光方向的光振动，透射光成为平面偏振光（见图2所示）。 若在偏振片P 1后面再放一偏振片P 2，P 2就可以用作检验经P 1后的光是否为偏振光，即P 2起了检偏器的作用。当起偏器P 1和检偏器P 2的偏振化方向间有一夹角，则通过检偏器P 2的偏振光强度满足马呂斯定律： （1） 当θ= 时，I=I 0， 光强最大；当θ= 时， I =0，出现消光现象；当θ为其它值时，透射光强介于0～I 0之间。 （1）双折射起偏 某些单轴晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，在界面射入晶体内部的折射光常为传播方向不同的两束折射光线，这两束折射光是光矢量振动方向不同的线偏振光。其中一束折射光 ，称为寻常光（或O 光）；另一束折射光 ，其振动在 内，称为非常光（或e 光），如图3所示。 研究发现，这类晶体存在这样一个方向，沿该方向传播的光 ，该方向称为光轴。 主平面： 主截面： （2）反射和折射时光的偏振 自然光在两种透明媒质的界面上反射和折射时，反射光和折射光就能成为部分偏振光或平面偏振光，而且反射光中垂直入射面的振动较强，折射光中平行入射面的振动较强。实验发现，

光的偏振特性研究

光的偏振特性研究 光是一种电磁波。干涉和衍射现象揭示了光的波动性，而光的偏振现象证实了光的横波性。本实验主要研究光的一些基本的偏振特性，深入学习光的偏振理论。 一、实验目的 （1）观察光的偏振现象，加深对偏振光的基本概念的理解。 （2）了解偏振光的产生和检验方法。 （3）观测布儒斯特角及测定玻璃折射率。 （4）观测椭圆偏振光和圆偏振光。 二、实验仪器 光具座，激光器，偏振片，1/4波片，光屏，光电转换装置，观测布儒斯特角装置。 三、实验原理 光波的振动方向与光波的传播方向垂直。自然光的振动在垂直于其传播方向的平面内，取所有可能的方向，某一方向振动占优势的光叫部分偏振光，只在某一个固定方向振动的光线叫线偏振光或平面偏振光。将非偏振光（如自然光）变成线偏振光的方法称为起偏，用以起偏的装置或元件叫起偏器。 1.偏振光的产生 偏振光的产生有以下几种方式： （1）由非金属镜面的反射。当自然光由空气照射在非金属镜面上时，反射光和透射光都将成为部分偏振光，当入射角增大到某一特定值是，反射光成为完全偏振光，只剩下垂直于入射面分量，此时的入射角φ称布儒斯特角，介质的折射率n=tan φ。 （2）由玻璃堆折射。当自然光以布鲁斯特角入射到迭在一起的多层玻璃上时，经过多次反射后，透射的光就近似为线偏振光； （3）用偏振片可得到一定程度的线偏振光； （4）利用双折射晶体产生的寻常光和非常光，均为线偏振光。 2.偏振片 偏振片一般用具有网状分子结构的高分子化合物—聚乙烯醇薄膜作为片基，将这种薄膜浸染具有强烈二向色性的碘，经过硼酸水溶液的还原稳定后，再将其单向拉伸4~5倍以上而制成。偏振片既可以用来使自然光变为平面偏振光——起偏，也可以用来鉴别线偏振光、自然光和部分偏振光——检偏。用作起偏的偏振片叫做起偏器，用作检偏的偏振器件叫做检偏器。实际上，起偏器和检偏器是通用的。 3.马吕斯定律 设两偏振片透射方向夹角为θ，自然光通过起偏器后变成光强为I 0的线偏振光，再经过检偏器后，透射光的强度变为 θ20cos I I = （1） 上式即为马吕斯定律。显然，以光线传播方向为轴，转动检偏器时，透射光强度I 将发生周期变化。若入射光是部分偏振光或椭圆偏振光，则极小值不为0。若光强完全不变化，则入射光是自然光或圆偏振光。这样，根据透射光强度变化的情况，可将线偏振光和自然光和部分偏振光区别开来。 nemo xatu 2011.11.21

了解光的特性(精)

每一种艺术形式都有它自己特有的表现手段。摄影家的表现手段是光，如果没有光，他们就会像雕塑家没有粘土或者画家没有颜料那样一事无成。 虽然摄影艺术在150多年的发展历程中，总是追随着绘画、文学等艺术形式之后而形成自己不同的流派与风格，特别别是近50年里，未来主义摄影、荒诞派摄影、剪辑派摄影、立体派摄影等等，都可以在形式上找到与姊妹艺术相通的地方，但是，与其姊妹艺术毕竟还是有所不同的。原因之一是摄影家充分发挥摄影独特的造型手段——光的语言。通过光，形成了他们自身的造型方式，决定了画面的表述意图；通过光，不仅区别于其他姊妹艺术，同时在摄影家之间，也产生了他们各自的艺术风格。 【没有任何一种艺术形式是完全独立于其他艺术形式之外的，所以摄影水平的提高往往仰仗于摄影师艺术修养水平的提高，历史上的摄影大师，往往精通多种艺术。然而，正是艺术形式的差异性才创造了绚丽多姿的艺术世界，一种艺术形式不同于其他艺术的特色正是其生命力的源泉。摄影是光的艺术，只有把握了这个本质，才能创造出不朽的作品。自动化的相机、几乎“万能”的PS技巧，都是获得好照片的辅助手段，既非必要条件也非充分条件，但把握好光线，是摄影的必要条件，有时候甚至能成为充分条件——一幅用光精到的作品本身，不管其他方面如何，总是值得欣赏。】 富有创造性的摄影家们常说，对光的认识是摄影家艺术才能中最重要的组成部分.光本身是以多种不同的形式表现的，摄影家可以从中选择最合适的形式来达到特殊的目的。光的这些形式是可以控制的，它们可以被用来在照片上明确地表现特定的被摄体的特性、概念和情绪。在摄影家能够充分利用光的巨大潜力以前，他们必须对光加以分析，了解光的各种特性，使自己熟悉光的各种作用和用途。 美国摄影家A·法宁格指出，对摄影家来说，光具有强度、质量和颜色三个主要性质。首先是强度。光的强度可以从亮到暗，这一点适用于任何光源。例如，在无云的天气里，中午的日光非常强，在风沙弥漫的天气里，光线昏暗。夜间可以说没有光。人工光源的强度，则随着灯的瓦数不同而有所变化。

偏振光特性的研究

光学设计性实验论文

偏振光特性的研究 摘要： 实验目的： （一）学习用光电转换的方法测定相对光强, 验证马吕斯定律。 （二）研究1/4波片的光学特性 （三）研究半导体激光器的偏振特性（测出其偏振度） （四）研究物质的旋光特性 （五）观察石英晶体的旋光特性和测量旋光度 （六）观察旋光色散，并解释现象 实验要求： （一）掌握各种偏振光的特性。 （二）学会辨别各种偏振光。 （三）了解偏振光干涉和双折射现象 关键词： 偏振、马吕斯定律、1/4波片、偏振特性、偏振度、旋光特性、旋光色散。 引言： 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性质，而光的偏振现象进一步验证了光波是横波。我们研究偏振现象不仅可以认识光的电磁波性质，而且可以对光的传播规律有许多新的认识。 实验原理： 1．偏振光的种类 光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且又垂直于光的传播方向．通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面．按光矢量的不同振动状态，可以把光分为五种偏振态：如光矢量沿着一个固定方向振动，称为线偏振光或平面偏振光；如在垂直于传播方向的平面内，光矢量的方向是任意的，且各个方向的振幅相等，则称为自然光；如果有的方向光矢量的振幅较大，有的方向振幅较小，则称为部分偏振光；如果光

矢量的大小和方向随时间作周期性的变化，且光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的轨迹是圆或椭圆，则分别称为圆偏振光或椭圆偏振光． 能使自然光变成偏振光的装置或器件，称为起偏器；用来检验偏振光的装置或器件，称为检偏器． 2．线偏振光的产生 (1)反射和折射产生偏振 根据布儒斯特定律，当自然光以 n i b arctan =的入射角从空气或真空入射至折射率为n 的介质 表面上时，其反射光为完全的线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，b i 称 为布儒斯特角． 如果自然光以b i 入射到一叠平行玻璃片堆上，则经过多次反射和折射最后从玻璃片堆透射 出来的光也接近于线偏振光．玻璃片的数目越多，透射光的偏振度越高． (2)偏振片 它是利用某些有机化合物晶体的“二向色性”制成的．当自然光通过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片透振方向的分量几乎完全被吸收，光矢量平行于透振方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光． (3)双折射产生偏振 当自然光入射到某些双折射晶体(如方解石、石英等)时，经晶体的双折射所产生的寻常光(o 光)和非常光(e 光)都是线偏振光． 3．波晶片 波晶片简称波片，它通常是一块光轴平行于表面的单轴晶片，一束平面偏振光垂直入射到波晶片后，便分解为振动方向与光轴方向平行的e 光和与光轴方向垂直的o 光两部分(如图1所示)．这两种光在晶体内的传播方向虽然一致，但它们在晶体内传播的速度却不相同(为么?)．于 是，e 光和o 光通过波晶片后就产生固定的相位差δ， 即 l n n o e )(2-= λ π δ

大学物理实验光的偏振

实验27 光的偏振 一、实验目的 1、观察光的偏振现象，加深对光的偏振的理解。 2、了解偏振光的产生及其检验方法。 3、观测布儒斯特角，测定玻璃折射率。 4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。 5、了解1/2波片和1/4波片的用途。 二、实验原理 1、光的偏振状态 光是电磁波，它是横波。通常用电矢量E表示光波的振动矢量。 (1)自然光其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向，各个方向的取向概率相等，所以在相当长的时间里（10-5秒已足够了），各取向上电矢量的时间平均值是相等的，这样的光称为自然光，如图27-l所示。 (2)平面偏振光电矢量只限于某一确定方向的光，因其电矢量和光线构成一个平面而称其为平面偏振光。如果迎着光线看，电矢量末端的轨迹为一直线，所以平面偏振光也称为线偏振光，如图27-2所示。 (3)部分偏振光电矢量在某一确定方向上较强，而在和它正交的方向上较弱，这种光称为部分偏振光，如图27-3所示。部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合。 (4)椭圆偏振光迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一椭圆，这样的光称为椭圆偏振光。椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的、有恒定相位差的线偏振光合成得到。 (5)圆偏振光迎着光线看，如果电矢量末端的轨迹为一个圆，则这样的光称为圆偏振光。圆偏振光可视为长、短轴相等的椭圆偏振光。 图27-4 椭圆偏振光

2、布儒斯特定律 反射光的偏振与布儒斯特定律 如图27-5所示，光在两介质（如空气和玻璃片等）界面上，反射光和折射光（透射光）都是部分偏振光。当反射光线与折射光线的夹角恰为90°时，反射光为线偏振光，其电矢量振动方向垂直于入射光线与界面法线所决定的平面（入射面）。此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分，所以透射光仍为部分偏振光。由折射定律很容易导出此时的入射角 α 满足关系 1 2 tan n n = α (27-1) (27-1)式称为布儒斯特定律，入射角 α 称为布儒斯特角，或称为起偏角。若光从空气入射到玻璃（n 2约为1.5），起偏角约56°。 3、偏振片、起偏和检偏、马吕斯定律 (1)由二向色性晶体的选择吸收所产生的偏振 自然光 偏振光 1I 0 起偏器 检偏器 自然光 I ' 图a 偏振片起偏 图b 起偏和检偏 图27-6 偏振片 有些晶体（如电气石）、长链分子晶体（如高碘硫酸奎宁），对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领，这种选择吸收性称为二向色性。在两平板玻璃间，夹一层二向色性很强的物质就制成了偏振片。自然光通过偏振片时，一个方向的电矢量几乎完全通过（该方向称为偏振片的偏振化方向），而与偏振化方向垂直的电矢量则几乎被完全吸收，因此透射光就成为线偏振光。根据这一特性，偏振片既可用来产生偏振光（起偏），也可用于检验光的偏振状态（检偏）。 (2)马吕斯定律 用强度为I 0的线偏振光入射，透过偏振片的光强为I ，则有如下关系 θ 20cos I I = (27-2) (27-2)式称为马吕斯定律。θ 是入射光的E 矢量振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角。以入射光线为轴转动偏振片，如果透射光强 I 有变化，且转动到某位置时I ＝0，则表明入射 光为线偏振光，此时 θ ＝90°。 4、波片 (1)两个互相垂直的、同频率的简谐振动的合成 设有两各互相垂直且同频率的简谐振动，它们的运动方程分别为 )cos() cos(2211?ω?ω+=+=t A y t A x (27-3) 合运动是这两个分运动之和，消去参数t ，得到合运动矢量末端运动轨迹方程为 )(sin )cos(2122 12212 2 2212????-=--+A A xy A y A x (27-4) 上式表明，一般情况下，合振动矢量末端运动轨迹是椭圆，该椭圆在2122A A ?的矩形范围内。如果(27-3)式表示的是两线偏振光，则叠加后一般成为椭圆偏振光。下面讨论相位 差 12???-=?为几种特殊值的情况。 ①当π?k 2=?（ k =0, ±1, ±2, …）时，(27-4)式变为

偏振光的研究实验报告

偏振光的研究实验报告

偏 振 光 的 研 究 班级：物理实验班21 学号：2120909006 姓名：黄忠政

光的偏振现象是波动光学的一种重要现象，它的发现证实了光是横波，即光的振动垂直于它的传播方向。光的偏振性质在光学计量、光弹技术、薄膜技术等领域有着重要的应用。 一．实验目的： 1.了解产生和检验偏振光的原理和方法； 2.了解各种偏振片和波片的作用。 二．实验装置； 计算机，格兰陵镜，1/2、1/4波片，调节支架，光电接系统，激光器。 三．实验原理： 1.偏振光的概念和基本规律 （1）偏振光的种类 光波是一种电磁波，根据电磁学理论，光波的矢量E、磁矢量H和光的传播方向三者相互垂直，所以光是横波。通常人们用

电矢量E代表光的振动方向，而电矢量E和光的传播方向所构成的平面称为光波的振动面。 普通光源发出的光是由大量原子或分子的自发辐射所产生的，它们所发射的光的电矢量在各个方向振动的几率相同，称为自然光。电矢量的振动方向始终沿某一确定方向的光，称为线偏振光或平面偏振光。若电矢量在各个方向都振动，但在某个固定方向占绝对优势，这种光称为部分偏振光，电矢量的末端在垂直于光传播方向的任一平面内做椭圆（或圆）运动的光，称为椭圆（或圆）偏振光。各种偏振光的电矢量E如图1所示，注意光的传播方向垂直于纸面。 （2）偏振光、波片和偏振光的产生 通常的光源都是自然光，研究光的偏振性质，必须采用一些物理方法将自然光变成偏振光，这一转变过程称为起偏，获得线

偏振光的器件称为起偏器。线偏振光可用人造偏振片获得，如：某些有机化合物晶体具有二向色性，用这些材料制成的偏振片，能吸收某一方向振动的光，与此方向垂直振动的光则能通过，从而产生线偏振光；还可以利用光的反射和折射起偏的平行玻璃片堆；利用晶体的双折射特性起偏的尼科尔棱镜等。 椭圆偏振光、圆偏振光可用波片来产生，将双折射晶体割成光轴与表面平行的晶片，就制成波片了。当波长为λ线偏振光垂直入射到厚度为d波片时，线偏振光在此波片中分成o光和e 光， 二者的电矢量E分别垂直于和平行于光轴，它们的传播方向相同，但在波片中的传播速度v0、v e却不同。如图2所示。因此折射率n0=c/v0、n e=c/v e是不同的，于是，通过波片后，o光和e 光的相位差ΔΦ和光程差δ分别为Δφ=2Π（n0-n e）/λ,δ=(n0-n e)d能产生光程差为λ/2的波片称为λ/2波片（或半波

光学课程设计光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真

西安邮电大学 光学报告 学院：电子工程 学生姓名： 专业名称：光信息科学与技术班级：光信1103班

光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真 一、课程设计目的 1．掌握反射系数及透射系数的概念； 2．掌握反射光与透射光振幅和相位的变化规律； 3．掌握布儒斯特角和全反射临界角的概念。 二、任务与要求 对n1=1、n2=1.52及n1=1.52、n2=1的两种情况下，分别计算反射光与透射光振幅和相位的变化，绘出变化曲线并总结规律 三、课程设计原理 根据麦克斯韦电磁理论，利用电矢量和磁矢量来分析光波在两介质表面的反射特性，把平面光波的入射波、反射波和折射波的电矢量分成两个分量：一个平行于入射角，另一个垂直于入射角，对平面光波在电介质表面的反射和折射进行分析，推导了菲涅尔公式，并结合MATLAB研究光波从光疏介质进入光密介质，以及光波从光密介质进入光疏介质时的反射率、透射率、相位等随入射角度的变换关系。同时对光波在不同介质中传播时的特性变化进行仿真研究，根据仿真结果分析了布鲁斯特角、全反射现象及相位变化的特点。有关各量的平行分量与垂直分量依次用指标p和s来表示，s分量、p分量和传播方向三者构成右螺旋关系。 假设界面上的入射光，反射光和折射光同相位，根据电磁场的边界条件及S分量，P分量的正方向规定，可得Eis+Ers=Ets. 由着名的菲涅耳公式： rs=E0rs/E0is=-(tanθ1-tanθ2)/(tanθ1+tanθ2); rp=E0rp/E0ip=(sin2θ1-sin2θ2)/ (sin2θ1+sin2θ2); ts=E0ts/E0is=2n1cosθ1/n1cosθ1+n2cosθ2; tp=E0tp/E0ip=2n1cosθ1/n2cosθ1+n1cosθ2; 反射与折射的相位特性 1.折射光与入射光的相位关系 S分量与P分量的透射系数t总是取正值，因此，折射光总是与入射光同相位。 2.反射光与入射光的相位关系 1）光波由光疏介质射向光密介质 n1

单模光纤传输特性及光纤中非线性效应

第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 单模工作模特性及光功率分布 .............................. 错误!未定义书签。 单模光纤中LP 01模的高斯近似 ............................... 错误!未定义书签。 单模光纤的双折射（单模光纤中的偏振态传输特性） .............. 错误!未定义书签。 双折射概念 ............................................... 错误!未定义书签。 偏振模色散概念 .......................................... 错误!未定义书签。 单模光纤中偏振状态的演化 ................................ 错误!未定义书签。 单模单偏振光纤 .......................................... 错误!未定义书签。 单模光纤色散 ................................................. 错误!未定义书签。 色散概述 ................................................ 错误!未定义书签。 单模光纤的色散系数 ...................................... 错误!未定义书签。 单模光纤中的非线性效应 ...................................... 错误!未定义书签。 受激拉曼散射（SRS ） ..................................... 错误!未定义书签。 受激布里渊散射（SBS ） ................................... 错误!未定义书签。 非线性折射率及相关非线性现象 ................................ 错误!未定义书签。 光纤的非线性折射率 ...................................... 错误!未定义书签。 与非线性折射率有关的非线性现象 .......................... 错误!未定义书签。 自相位调制 .............................................. 错误!未定义书签。 第三章 单模光纤的传输特性及光纤中的非线性效应 单模光纤的传输特性 单模光纤就是在给定的工作波长上，只有主模式才能传播的光纤。例如在阶跃型光纤只传播 HE 11模（或LP 01）的光纤。 由于单模光纤中只传输一个模式，不存在模式色散，所以它的色散比多模光纤要小的多，因 而单模光纤拥有巨大的传输带宽。长途光纤通信系统都无例外的采用单模光纤作为传输介 质。由于单模光纤已经成为光纤通信系统中最主要的传输介质，所以对单模光纤分析并掌握 其传输特性就显得尤为重要。单模光纤的纤芯折射率分布可以是均匀的，也可以是渐变的。 单模条件和截止波长 阶跃式光纤的主模LP 01模的归一化频率为零，次最低阶模LP 11模的归一化截止频率为。 单模传输条件是光纤中只有LP 01模可以传输，而LP 11模以及其它高次模都被截止，这就意味 着归一化工作频率应满足条件：0