12 光栅 偏振
亚波长偏振光栅的研究进展
亚波长偏振光栅的研究进展ＲｅｓｅａｒｃｈＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＧｒａｔｉｎｇｓ赵华君１袁代蓉１吴正茂２１重庆文理学院物理与信息工程系，重庆４０２１６０２西南大学物理科学与技术学院，重庆４００７１!"５ＺｈａｏＨｕａｊｕｎ１ＹｕａｎＤａｉｒｏｎｇ１ＷｕＺｈｅｎｇｍａｏ２１ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｔｓａｎｄＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０２１６０，Ｃｈｉｎａ２ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４００７１５，Ｃｈｉｎａ#$$$$$$$%&’’’’’’’(１引言光栅作为一种常用的光学元件，在各类光学系统中起着重要作用。
光栅主要有色散、分束、偏振及相位匹配四个基本特性。
以前光栅的应用大都基于光栅的色散和分束特性，而对具有偏振特性的偏振光栅（ＰＧｓ）的研究相对较少。
近年来，人们逐步认识到光栅具有优良的偏振特性，并开展了大量的研究［１￣１５］。
理论和实验都表明，当光栅的周期尺寸接近或者小于入射光波长时，将表现出较强的偏振特性，利用光栅的偏振特性，可以制作各种偏光器件，如偏振光检测器、偏振分束器、相位延迟器、各种波片等［２￣７］。
光栅的周期小于入射光的波长称为亚波长光栅，亚波长光栅具有特殊的偏振衍射特性，可以实现偏振、分束、增透、高反、窄带滤波等功能［８￣１０］，基于光栅偏振特性的亚波长偏振光栅作为一种新型偏振光学元件［１１，１６］，通过对光波偏振态的周期性调制，产生一种偏振依赖的衍射场［１７］，可将单色平面波分裂成若干束具有不同偏振态的子光波。
亚波长偏振光栅除了能替代晶体作偏振光分束器外，还可以用作光开关、光互联器件，并且在偏振模色散（ＰＭＤ）的测量和补偿、偏振光的实时检测、偏振光数据处理、生物成像、偏振光相关的仪器设备等领域都有较多的应用［１７￣２４］。
12-4 光栅衍射和偏振
结论： 光栅有N条狭缝 结论： 光栅有 条狭缝 相邻两主极大明纹之间有N-1条暗纹。 条暗纹。 相邻两主极大明纹之间有 条暗纹 相邻两主极大明纹之间有N-2条次级明纹 。 条次级明纹 相邻两主极大明纹之间有 由于N非常大，次级明纹很弱， 由于 非常大，次级明纹很弱， 非常大 实际上只能看到主极大明纹
作业： 作业：12-22
12§12-5 光的偏振
12-5-1 自然光与偏振光
光是一种电磁波（横波）。电矢量 E 与磁矢量 H 相 光是一种电磁波（横波）。电矢量 ）。 互垂直，它们分别又与电磁波的传播方向垂直。 互垂直，它们分别又与电磁波的传播方向垂直。 光振动： 振动。 光振动：电磁波的 E 振动。 光矢量： 矢量。 光矢量：电磁波的 E 矢量。
v
2、自然光：在垂直于光传播方向上的所有可能方 、自然光： 向上， 振动的振幅都相等。 向上， 振动的振幅都相等。
E
Ey
v
自然光是横波，但它不具有偏振性。 自然光是横波，但它不具有偏振性。
Ex
自然光可分解成任意两个振动面垂直的偏振 光，且这两个偏振光的强度相同。 且这两个偏振光的强度相同。 3、部分偏振光：各个方向都有振动，但某一方向的光振动 、部分偏振光：各个方向都有振动， 最强，与之相垂直的另一方向的光振动最弱。 最强，与之相垂直的另一方向的光振动最弱。
E
vБайду номын сангаас
一、光的偏振性：振动方向相对传播方向的不对称性。 光的偏振性：振动方向相对传播方向的不对称性。 只有横波能产生偏振，纵波不具有偏振性。） （只有横波能产生偏振，纵波不具有偏振性。）
二、三种偏振态 1、线偏振光：某一光束只含有一个方向的光振动。（平面偏振光） 。（平面偏振光 、线偏振光：某一光束只含有一个方向的光振动。（平面偏振光） 振动面：光振动方向与传播方向所确定的那平面。 振动面：光振动方向与传播方向所确定的那平面。
光纤光栅原理
光纤光栅原理
光纤光栅是利用物理光学原理将光纤中的光子转换成特定的频域信号，从而实现无损传输信号、提高系统、应用等性能。
它是一种比较新型的光学元件，具有高灵敏度、高信噪比和高带宽等优点，因此广泛地应用于通信和技术应用领域。
光纤光栅可以分为两种：偏振光纤光栅和非偏振光纤光栅。
偏振光纤光栅是一种能够将偏振光子转换成振动能量的光学元件，可以用来传输偏振光子，它是一种手性受控的元件，可以有效抑制由偏振失实引起的灰度缩放效应。
非偏振光纤光栅是一种光学元件，它能够将非偏振光子转换成电信号，可以有效地扩展信号的传输距离，并具有很高的信噪比，对于具有高速传输需求的系统而言，非偏振光纤光栅是最理想的选择。
光纤光栅的基本原理是光纤光栅是一种特殊的光学元件，它可以中继由光子传输的信号，并将其转换成电信号，从而可以实现无损信号传输、提升系统性能和应用性能。
光纤光栅基本上是由一个光栅尺（也可以叫做光栅），一个光纤和一个检测器组成的，这个光栅尺的位置会发生微小的振动，当光子在光栅尺上经过时，会产生振动，然后由检测器检测出来，这种波形的变化微小，但是可以显著地改善光纤传输的性能。
此外，光纤光栅也具有良好的适应性和灵活性，可以根据实际应用中的需求，对光纤光栅进行优化，以提高系统性能，提升应用性能。
因此，光纤光栅被越来越多地应用在通信技术、汽车电子、空间技术、
军事等众多领域。
总之，光纤光栅是一种物理光学原理，可以将光子转换成特定的频域信号，从而实现信号的无损传输、提高系统性能和应用性能。
它的优点是高灵敏度、高信噪比和高带宽；缺点是价格相对较高。
光纤光栅的广泛应用可以使各类电子系统得到极大的提升。
(光学)12.光栅PPT课件
2
A
A0
sin
.
7
单缝衍射的振幅和光强
.
8
多缝之间的光程差
缝平面G 透 镜
d
L
观察屏 P
o
dsin 焦距 f
L d sin 2d sin
.
9
多矢量叠加
| OBN | 2 | OC | sin(N )
| OC | A
2sin
2
E A sin(N / 2) sin( / 2)
多光束干涉因子I
18
单缝衍射因子和缺级
单缝衍射因子的作用：
（1）改变各主极大的光 强分配；
（2）产生缺级现象。
缺级：干涉极大与单缝 衍射零点重合
干涉主极大
d sin k , 2
k 0, 1, 2,
衍射零点
a sin n ,
n 1, 2, 3,
缺级条件：
kdn a
.
19
N=4, d=3a
2
N
2
,
2
2m ;
其它。
2m
主极大
次极大
或cot N cot N 且sin 0
2
2
2
或sin N 0 & sin 0
2
2
两个极大之间有N-2个
所有的零点（极小） （两极大间有N-1个）
2 (m n / N ), m 0, 1, 2,; n 1, 2, , N 1.
.
16
光栅光谱仪
光栅
光源准直
望远镜
构造：
1）准直部分——产生平行光 2）分光器件——光栅
.
24
光栅的色散本领
角色散本领：D
光的偏振与光栅实验
光的偏振与光栅实验在光学领域中，光的偏振与光栅实验是一项重要的实验研究。
本文将介绍光的偏振以及光栅实验的原理、方法和结果。
一、光的偏振光的偏振是指光波的振动方向在特定平面上进行的现象。
一般来说，自然光是无偏振光，其中的光波振动方向在各个方向上都有。
而偏振光则是指只在某个特定方向上振动的光波。
在光学实验室中，我们常使用偏振片来产生偏振光。
偏振片通过具有特殊结构的材料，可以使得只有满足一定条件的光波通过，而将其他方向的光波滤除。
通过调整偏振片的方向，我们可以改变偏振光的方向和强度。
二、光栅实验光栅实验是一种利用光栅对光波进行衍射的实验方法。
光栅是一种具有周期性结构的光学元件，其中包含许多平行排列的透明区域和不透明区域。
当一束光照射到光栅上时，由于光栅的结构特性，光波会发生衍射现象。
衍射光波通过相干叠加形成一系列亮暗交替的光斑，这种现象称为衍射光栅。
通过对光栅实验的观察和测量，我们可以得到光的波长、频率以及光栅的特性参数等信息。
这对于光学领域的研究和实际应用具有重要意义。
三、实验方法与步骤进行光的偏振与光栅实验，我们可以按照以下步骤进行：1. 准备实验器材：包括光源、偏振片、光栅、光屏等。
2. 调整光源：保证光源的亮度和稳定性，一般使用准直光进行实验。
3. 设置偏振片：根据实验需要，调整偏振片的方向和角度。
4. 设置光栅：将光栅安装在合适的位置，并确保其与光源和光屏之间的距离适当。
5. 观察和记录：使用光屏记录衍射光栅的图像，并根据图像进行分析和测量。
四、实验结果与讨论通过光的偏振与光栅实验，我们可以得到对应的实验结果和数据。
根据实验中观察到的衍射光栅图像，我们可以分析和计算相关参数。
其中，光的偏振实验可以得到光波的偏振方向和强度信息，这对于研究光的特性和光学材料具有重要意义。
而通过光栅实验，我们可以测得衍射光栅的等效波长以及光波的波长和频率。
这些结果可以应用于光学材料的研究、光纤通信等领域。
五、总结与展望光的偏振与光栅实验是光学实验中非常重要的实验方法，通过实验可以获得光的偏振方向和光栅的特性参数等信息。
光光栅及光的偏振课件
光光栅与光的偏振的总结
光光栅
光光栅是一种将光波进行色散的装置，通过将不同波长的光波分散成不同的角度 ，从而实现光的分离。在光通信、光谱分析和光学计量等领域有广泛应用。
光的偏振
光的偏振是指光波的电矢量或磁矢量在某一特定方向上的振动状态。光的偏振现 象在光学、物理学和通信等领域有重要应用，如偏振光眼镜、液晶显示和光纤通 信等。
。
03
光学信息处理
在光学计算和图像处理等领域，光的偏振特性可用于实现高速、高精度
的光学信息处理。例如，利用特定设计的光光栅，可以实现高效的光学
图像滤波和特征提取。
04
光光栅与光的偏振实验
实验目的
了解光光栅的原理和应用。
掌握光的偏振现象和偏振片的作用。
通过实验观察和分析，加深对光光栅和光的偏振的理解 。
01
自然光
自然光是一种无偏振态的光， 其电矢量在各个方向上的振动
概率相同。
02
偏振现象
当光波通过特定介质或与物质 相互作用时，其电矢量会沿着 某个特定方向振动，形成偏振
光。
03
偏振光的应用
偏振光在光学、摄影、显示等 领域有广泛应用。
光的偏振态
线偏振光
电矢量在某一特定方向上振动，与传播 方向垂直。
椭圆偏振光
THANKS
对光光栅与光的偏振的思考
光光栅的未来发展
随着光学技术和材料科学的不断进步，光光栅的性能和应用范围将得到进一步提升。未来，光光栅有望在更宽的 光谱范围、更高的分辨率和更小的体积等方面取得突破，为光学和光通信领域的发展提供有力支持。
光的偏振的应用前景
光的偏振现象在许多领域都有广泛的应用前景。例如，利用偏振现象提高光纤通信的传输容量和安全性，开发新 型的偏振光器件和传感器，以及利用偏振信息进行光谱分析和物质检测等。随着对光的偏振现象的深入研究和技 术的不断进步，其应用前景将更加广阔。
大学物理规范作业C上12光栅偏振
当光线通过偏振片时，最小光强为自然光强的一半，
I线偏振光强与自然光强的一半之和
即 I max
I2
I1
2
,
由题意得 I max I min
4
10
因此：2I2 I1 4 I1
代入总光强公式得：
解得：I 2
3 2
I1
I0
I1
3 2
I1
因此入射光中自然光光强的比例为
I1 / I0 2 5 40%
分析：出现缺级的位置应该同时满足
a bsin k
k为偶数
a sin k k 1,2,
二式相除得 a b k 2 a k
2
2.如果两个偏振片堆叠在一起，且偏振化方向之间夹 角为600，光强为I0的自然光垂直入射在偏振片上，则 出射光强为： 【 A】
A）I0/8． C）I0/4．
B）3I0／8． D）3I0／4．
k 6
k 4
60
Q d 61 / sin 60 42 / sin 60 3048nm
5
2. 一束自然光自空气射向折射率1.48某液体时发现反 射光为线偏振光，则入射角为__5_6_°__；如果自然光改由 液体射向空气，则反射光为线偏振光时的入射角是 _____3_4_° _____。
解：根据布儒斯特定律
解：（1）根据
ab
1 5.0103mm 5.0106 m 200
由光栅衍射明纹公式： (a b)sin k
k 1
sin tan x
所以， (a b) x1
f
即：
f
x1
f
a
b
500
109 60 102 5.0 10 6
6.0 102 m 6cm
光栅的衍射效率与偏振的关系
光栅的衍射效率与偏振的关系大家好，我今天要和大家聊聊光栅的衍射效率与偏振的关系。
我们来了解一下什么是光栅。
光栅是一种光学元件，它是由许多平行排列的凹槽或凸起组成的。
当光线通过光栅时，会发生衍射现象，即光线会沿着不同的路径传播。
而衍射效率就是指光线在经过光栅后的强度分布情况。
那么，光栅的衍射效率与偏振有什么关系呢？接下来，我将从理论和实验两个方面来详细探讨这个问题。
我们来看一下理论方面的研究。
在光学中，有一个重要的概念叫做菲涅尔衍射定律。
这个定律告诉我们，衍射强度与入射角的正弦值成正比。
也就是说，当我们改变光线的偏振状态时，衍射效率也会随之发生变化。
具体来说，当光线是偏振状态时，它的衍射强度会随着偏振角度的变化而变化。
这是因为偏振状态的不同会导致光线在经过光栅时的路径发生变化，从而影响到衍射强度。
接下来，我们来看一下实验方面的研究。
在实验中，我们可以使用激光束来模拟光线的偏振状态，并观察其对光栅衍射效率的影响。
例如，我们可以设计一个实验装置，其中包括一个光栅和一个激光器。
然后，我们可以通过改变激光器的输出波长或者改变激光束的方向来改变光线的偏振状态。
通过测量不同偏振状态下的衍射强度，我们可以得出结论：光栅的衍射效率确实与偏振状态有关。
除了理论方面的研究和实验方面的研究之外，我们还可以从实际应用的角度来看待这个问题。
例如，在光纤通信中，我们需要使用光栅来实现信号的分路和调制。
这时，如果我们能够控制光栅的衍射效率，就可以实现更加高效和稳定的通信传输。
因此，深入研究光栅的衍射效率与偏振的关系对于提高光学技术的应用水平具有重要意义。
我想总结一下本文的内容。
本文主要探讨了光栅的衍射效率与偏振的关系。
从理论和实验两个方面来看，我们发现光栅的衍射效率确实与偏振状态有关。
从实际应用的角度来看，深入研究这一问题还有助于提高光学技术的水平。
希望我的分享能对大家有所帮助！。
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arccos
1 540 44' 3
（ 2）
I0 I0 2 ' 当 I cos 2 3
'
2 arccos 35016' 3
'
(a b)(sin sin )
2
时k
6
时k
2
(a b)(sin sin )
2
k=6 与 k=-2 两条谱线看不到，能看到最高级别 的光谱为第5级，共可看到7条谱线。
2、自然光入射到两个互相重叠的偏振片上。如果透射 光强为（1）透射光最大强度的三分之一，或（2）入射 光强度的三分之一，则这两个偏振片的偏振化方向间的 夹角是多少？ 解： (1)自然光入射，两偏振片同向时， 透过光强最大，为I0/2。
大学物理规范作业
12
一、选择题 1.某元素的特征光谱中含有波长分别为λ 1=450nm和 λ 2=750nm的光谱线。在光栅光谱中,这两种波长原谱 线有重叠现象,重叠处λ 2的谱线的级数将是:
( A) 2,3,4,5, ;
(C ) 2,4,6,8, ;
( B) 2,5,8,11 , ;
( D) 3,6,9,12,
（ D）
分析：根据光栅干涉的主极大条件
(a b) sin k
谱线重叠时满足：k11 k22 ,
k 2 3,6,9,12,
2.一束光是自然光和线偏振光的混合光,让它垂直穿过 一偏振片,若以此入射光束为轴旋转偏振片,测得透射光 强最大值是最小值的5倍,那么入射光束中自然光和线偏 振光的光强比值为： （A） （A） 1/2; （B） 1/5; （C） 1/3; （D） 2/3 分析：设自然光光强为I0，线偏振光光强为I1。 根据马吕斯定律，有：I max
因为入射光方向与光轴成一夹角， 所以o光和e光传播方向不相同。 o光和e光的主平面重合，所以 o光和e光的振动方向互相垂直。
二、填空题 1．波长λ =55Onm的单色光垂直入射于光栅常数为 a+b=2×10-4cm的平面透射光栅上,可观察到光谱线的最 3 级；共有 7 条主级大亮纹。 高级次为第 分析：
根据光栅的干涉相长条件: (a b) sin k
.6
即 k max 3
共有 2kmax 1 7(条) 主极大，分别为 3,2,1,0
2、要使一束线偏振光通过偏振片后振动方向 转过90o，至少需要让这束光通过 2 块理想 偏振片；在此情况下，最大的透射光强是原来 光强的 1/4 倍。
(a b)(sin sin ) k
已知
则有
0 , 30 , k 2
(a b) sin 30 2 2 6 ab 2 10 ( m) sin 30
1 N 5000 (条 / cm ) ab
（2）由光栅方程
(a b)(sin sin ) k
I max 依题意，有： I min
I0 I1 2 5 I0 2
I0 I0 I1 , I min 2 2
I0 1 I1 2
3.如图所示，abcd为一块方解石的一个截面，ab为垂 直于纸面的晶体平面与纸面的交线。光轴方向在纸面 内且与ab成一锐角θ ,一束平行单色自然光垂直于ab 端面入射。在方解石内分解为o光和e光,则： （C） (A)o光和e光传播方向相同,振动方向互相垂直 (B)o光和e光传播方向相同,振动方向互相不垂直 (C)o光和e光传播方向不相同,振动方向互相垂直 (D)o光和e光传播方向不相同,振动方向互相不垂直 分析：
解： 设原来光强为 I0
1
2
光通过第 2个偏振片后
I0 2 I I 0 cos sin sin 2 4
2 2
3.在双折射晶体内部,频率相同而电振动方向不同的线 偏振光,沿光轴传播时,它们的传播速度是 相同 的(填 “相同”或“不同”)。
三、计算题
1、波长为500nm单色光，以300入射角照射在光栅上， 发现原在垂直入射时的中央明级的位置现在改变为第 二级光谱的位置，求：（1）此光栅每厘米上共有多 少条缝？（2）最多能看到几条谱线？ 解：（1）平行光钭入射光栅时光栅方程为