空间目标的光学偏振特性研究
空间目标的光学偏振特性研究
Ｐｈｏ ｏ ｌ ｒ ｍ ｅ ｒｃＣｈａ ａ ｔ ｒｓｉ ｆＳｐａ ｅＴａ ｇ ｔ ｔ ｐｏ ａ ｉ ｔ ｉ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃｏ ｃ ｒ ｅ
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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 养
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实验报告引言：偏振光是指光波中电场矢量在空间中的振动方向固定的光。
它在光学领域有着广泛的应用，包括材料的表征、光学器件的设计和光通信等。
本实验旨在通过研究偏振光的性质和特点，探索其在实际应用中的潜力。
实验一：偏振片的特性在实验中，我们首先使用了一块偏振片。
偏振片是一种能够选择性地通过特定方向偏振光的光学器件。
我们将偏振片放置在光源前方，并逐渐旋转它。
观察到当光通过偏振片时，光强度会随着旋转角度的变化而发生明显的变化。
这说明偏振片能够选择性地通过特定方向的偏振光。
实验二：马吕斯定律的验证马吕斯定律是描述光的偏振现象的基本定律之一。
它表明，当一束偏振光通过一个偏振片时，出射光的偏振方向与入射光的偏振方向之间的夹角保持不变。
我们使用了两块偏振片，并将它们叠加在一起。
通过旋转第二块偏振片，我们观察到光的强度随着旋转角度的变化而发生周期性的变化。
这一结果验证了马吕斯定律的正确性。
实验三：偏振光的干涉在实验中，我们使用了一束激光器发出的偏振光，并将其分成两束，分别通过两个不同的光程。
然后，我们将两束光重新合并在一起。
通过调节两束光的光程差，我们观察到干涉现象。
当光程差等于整数倍的波长时，干涉现象最为明显。
这一实验结果说明了偏振光的干涉现象是由于光的相位差引起的。
实验四：偏振光的旋光性质偏振光的旋光性质是指光在通过旋光物质时，偏振方向会发生旋转的现象。
我们使用了一块旋光片，并将它放置在光源前方。
通过观察光通过旋光片后的偏振方向，我们发现光的偏振方向确实发生了旋转。
这一实验结果验证了偏振光的旋光性质。
结论：通过以上实验，我们对偏振光的性质和特点有了更深入的了解。
偏振光的研究不仅有助于我们理解光的本质，还在许多实际应用中发挥着重要作用。
例如，在材料的表征中，偏振光可以用来分析材料的结构和性质。
在光学器件的设计中，偏振光可以用来控制光的传输和调制。
在光通信中，偏振光可以用来提高信号传输的可靠性和速率。
【大学物理实验(含 数据+思考题)】偏振光的特性研究实验报告
实验3.4 光的偏振特性研究一、实验目的（1）了解自然光和偏振光的定义及特性。
（2）观察光的偏振现象，了解偏振光的产生方法和检验方法。
（3）了解波片的作用和用波片产生椭圆和圆偏振光及其检验方法。
二、实验仪器GSZ-Ⅱ光学平台（配有光具座、氦氖激光器及电源、扩束镜、偏振片、波片、观察屏等）。
三、实验原理1.自然光和偏振光的定义自然光：由普通光源所发射的光波，在光的传播方向上，任意一个场点，光矢量既有空间分布的均匀，又有时间分布的均匀性。
偏振光：光矢量相对于光的传播方向分布的非对称性。
部分偏振光：光波光矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势。
平面偏振光：光在传播的过程中光矢量的振动只限于某一特定的平面内。
圆偏振光：在光的传播方向上，任意一个场点光矢量以一定的角速度转动它的方向，但大小不变，其光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的投影是一个圆。
椭圆偏振光：在光的传播方向上，任意一个场点光矢量即改变它的大小，又以一定的角速度转动它的方向，其光矢量的末端在垂直于光传播方向的平面内的投影是一个椭圆。
2.偏振光的产生及检验方法（1）平面偏振光的产生和检验方法：产生：本次实验中我们利用偏振片来生成平面偏振光。
偏振片是由具有二向色性的晶体制作成的，这些晶体对不同方向振动的光矢量具有不同的吸收本领，当自然光入射到这些晶体上时，透射光的光矢量仅在某一个特定的方向上，形成了平面偏振光。
检验：线性偏振光通过检偏器后，按照马吕斯定律，强度为I0的线偏振光通过检偏器，透射光的强度为I=I0cos2α,α=0/π时，透射光的强度最大，当α= (π/2)/(3π/2)时，透射光的强度为0，出现消光现象。
所以偏振器旋转一周，透射光的强度将发生强弱变化，并且消光两次，根据这个特点可以检测是否有平面偏振光。
（2）椭圆和圆偏振光的产生和检验方法：产生：波片是光轴平行于晶面的各向异性晶体薄片。
双折射是光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。
光学问题解析光的偏振与偏振光的特点与计算
光学问题解析光的偏振与偏振光的特点与计算光是一种电磁波，它具有许多特性，其中之一就是偏振。
偏振是指光波中电场矢量振动方向的取向。
在光的传播过程中，如果光波的电场矢量沿着某一特定方向振动，我们就称之为偏振光。
本文将对光的偏振进行解析，并介绍偏振光的特点和相关计算方法。
一、光的偏振光波中的电场矢量可以在任意方向上振动，但在某些情况下，电场矢量只在一个特定方向上振动。
这种特定方向称为光的偏振方向，光波就是偏振光。
有两种常见的偏振现象，一种是线偏振，另一种是圆偏振。
线偏振光中的电场矢量在一个平面内振动，这个平面称为偏振面；而圆偏振光中的电场矢量绕光传播方向形成一个圆。
在光学实验中，我们可以使用偏振片来实现光的偏振。
偏振片是由有机或无机材料制成的，可以使只有特定方向上振动的光通过，而将其他方向上振动的光吸收或减弱。
通过旋转偏振片的方向，我们可以改变偏振的方向。
二、偏振光的特点偏振光具有许多独特的特点，以下为其中几个重要特点：1. 偏振光的强度：偏振光的强度与振幅的平方成正比。
偏振光的振幅是电场矢量的最大值，当光通过偏振片或其他光学器件时，其振幅可能会发生变化，从而影响光的强度。
2. 偏振光的传播方向：偏振光在空间中的传播方向是固定的，光的传播方向与电场矢量的振动方向垂直。
这是偏振光与非偏振光的重要区别之一。
3. 偏振光的互相干性：如果两束偏振光的偏振方向相同，它们可以叠加成一个更强的光束。
如果两束偏振光的偏振方向垂直，它们不能互相叠加。
4. 偏振光的干涉效应：当两束偏振光相互干涉时，它们可以产生干涉条纹。
干涉现象可以用来测量物体的厚度、形状等相关参数。
三、偏振光的计算方法在光学实验和应用中，我们经常需要计算偏振光的一些性质。
以下是几个常见的计算方法：1. 偏振光的振幅计算：对于给定的偏振光，我们可以通过测量其电场强度的最大值来计算其振幅。
振幅是电场强度的峰值，可以用来描述光的强度。
2. 偏振光的强度计算：偏振光的强度是振幅的平方，可以通过振幅计算得到。
光的偏振实验设计与数据分析
光的偏振实验设计与数据分析随着科学技术的进步和应用的广泛，光的偏振实验在光学研究中扮演着重要的角色。
本文将介绍光的偏振实验的设计和数据分析方法，以揭示光的偏振现象的本质和特性。
一、实验设计在进行光的偏振实验时，我们需要以下实验装置和器材：1. 光源：使用一束稳定且具有较高纯度的单色光作为光源。
例如，可以使用激光器或单色LED。
2. 偏振器：偏振器是实验中最基本的器件之一。
它可以将来自光源的自然光转换为具有特定偏振方向的偏振光。
根据实验需求，可以选择线偏振器、圆偏振器或椭圆偏振器。
3. 样品：不同的样品会对光的偏振状态产生不同的影响。
在实验中，我们可以使用透明或反射性质的样品，并观察其对偏振光的影响。
4. 偏振分析器：偏振分析器是用于分析光的偏振状态的器件。
它可以测量入射光的偏振方向，例如线偏振、圆偏振或反克拉诺斯特偏振。
5. 光学元件：光学元件如透镜、棱镜、波片等可用于调节和改变光的偏振状态。
6. 光学仪器：光学仪器如干涉仪、偏振计、光学显微镜等可用于观察和测量光的偏振效应。
在实验设计中，我们需要根据具体的实验目的和研究要求，选择合适的实验装置和器材，保证实验的可重复性和准确性。
实验过程中，需要注意避免外界干扰和误差的影响。
二、数据分析光的偏振实验数据分析主要包括以下几个方面：1. 偏振角度的测量与计算：在实验中，我们可以通过旋转偏振器或偏振分析器，测量光的偏振角度。
通过记录不同角度下的偏振状态，可以计算出光的偏振角度。
2. 光的强度分析：光的偏振状态直接影响光的强度。
通过使用光功率计或相应的检测器，可以测量光的强度，并与不同偏振状态下的强度进行比较和分析。
3. 偏振椭圆分析：对于椭圆偏振光，可以使用相应的光学仪器和技术，如偏振椭圆仪或偏振光干涉术，来分析和测量光的偏振椭圆参数，如椭圆离心率、主轴角度等。
4. 光的干涉效应观察与分析：使用干涉仪等装置，可以观察和分析不同偏振状态下的干涉效应。
通过干涉图案的变化，可以揭示光的偏振状态变化对干涉现象的影响。
偏振光特性的研究实验报告
竭诚为您提供优质文档/双击可除偏振光特性的研究实验报告篇一：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、ve却不同。
光的偏振现象解析与应用
光的偏振现象解析与应用光是一种电磁波，它有波动的特性和粒子的特性。
在空间传播时，光通常是以波的形式传播，而波动光有一个重要的特性，那就是偏振。
光的偏振现象在光学领域有着广泛的应用，本文将对光的偏振现象进行解析，并探讨其在科学研究和技术应用中的重要性。
一、光的偏振现象解析1. 什么是偏振光在日常生活中，我们所看到的自然光是一种无规则的混合光，光的电场矢量在各个方向上都有等概率的振动。
而偏振光是指光的电场矢量在特定方向上振动的光波。
偏振光通过一个偏振片时，只允许在偏振片的特定方向上振动的光通过，其它方向上的光则被阻挡。
这个特性使得偏振光在科学研究和技术应用中具有独特的价值。
2. 光的偏振方式光的偏振方式可以分为线偏振、圆偏振和椭偏振三种。
(1) 线偏振：光的电场矢量只在特定方向上振动，振动方向可以是任意方向。
(2) 圆偏振：光的电场矢量在平面内绕光线传播方向旋转，振动幅度保持不变。
(3) 椭偏振：光的电场矢量在平面内既有振动方向的分量，也有振动方向垂直的分量，振动幅度可以改变。
3. 光的偏振产生光的偏振产生主要有自然偏振和人工偏振两种方式。
(1) 自然偏振：自然光经过反射、折射或散射后，可以部分或完全地变为偏振光。
例如阳光照射到湖泊表面或玻璃窗上，反射出的光就是部分偏振光。
(2) 人工偏振：通过使用偏振片、偏振器等器件，可以将自然光转化为具有特定偏振方式的偏振光。
二、光的偏振现象的应用1. 光的偏振在显微镜中的应用显微镜作为一种重要的科学研究工具，利用光的偏振现象可以观察到更多的细节和显现出不同的结构。
例如，使用偏振显微镜可以观察到双折射现象，通过对物质的双折射性质进行观察和分析，可以得到物质的结晶性质、应力状态等信息。
2. 光的偏振在通信技术中的应用随着光通信技术的发展，光的偏振在光纤通信系统中发挥着重要的作用。
在光纤传输中，光的偏振可以用来增加光信号的传输容量，提高通信质量和可靠性。
同时，光的偏振还可以用于解决光纤系统中的偏振相关问题，如偏振模式耦合、偏振模式色散等技术挑战。
空间目标光谱偏振特性
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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 TargetLI Ya-nan，SUN Xiao-bing，QIAO Yan-li，HONG Jin，ZHANG Qiao( Key Laboratory of Optical Calibration and Characterization, Anhui Institute ofOptics 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 target0 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@。
第37卷第7期 李雅男 等：空间目标的光学偏振特性研究25星偏振特性与理论计算结果相比较，结果表明卫星在太空中材料确实发生了变化[7]，Sanchez 的文章表明目标的偏振特性与光辐射特性的特征明显不同，在午夜光度信号强的时候约为10％，而到黎明光度特性弱的时候甚至能达到40％，即使有卷云存在的情况下也能探测到[8]。
因此空间目标的偏振特性在目标光学探测中能发挥其独特的作用。
对于空间目标来说，照明光源是太阳，太阳光是非偏的，而空间目标散射光的偏振分析则表明空间目标的散射光是偏振的[9-10]。
空间目标表面材料的散射光偏振特性与目标组成材料和不同材料表面的入射角有关，由于目标与观测者以及光源的相对位置(由目标的轨道和组成部分姿态所引起)的改变，探测到的散射光偏振状态会相应的改变。
这些信号可能会由于特定目标的构成而不同，因此可以作为目标识别的特征。
但目前对空间目标材料的偏振测量工作却未见报道，且空间目标的形状也不像1970年以前普遍为球形或柱形，更多的是盒装带太阳能电池板的结构，文中给出空间目标几种常见材料的多角度偏振成像特性，最后结合具体的目标模型在实验室测量了其偏振特性的变化，结果表明，空间目标散射的偏振量可以用来提高空间目标的识别能力。
1 理论依据介质材料的线偏振可表示为ps p s R R R R P +−=(1)R s 是平行于入射表面的反射光，R p 是垂直于入射表面的反射光，如果是不规则表面，则可看成是许多微面元的反射总和，微面元的反射系数由微面元的局部入射角和菲涅耳系数决定。
当表面是涂层或者是多层介质，例如太阳能板，则反射的能量则由以下复杂的反射公式决定[11])2exp(1)2exp()1()1()1()1(i i i r r i r r r R i i i R i i i iR δδ−+−+=+−+− (2)其中：i i r )1(−表示第i 层和第i -1层的反射系数，R i r )1(+表示第i +1层和第R 层的反射系数，i δ表示的是由于 介质层带来的相位差。
图1是Beavers [8]给出的两种不同形状的卫星的偏振度曲线，并将其与理论拟合结果相比较。
其中，LCS-1是球形卫星，表面材料为抛光的铝，复折射率为i 23.598.0ˆ+=n，在空间中暴露后根据实测结果拟合获得i 25.52.3ˆ+=n，COMSTAR D4是柱形卫星，表面覆盖着太阳能板。
由于卫星结构简单，Beavers 的理论计算中的反射系数用的是菲涅耳反射系数，目前的卫星普遍为盒状结构，由于结构的复杂性，理论性分析也变得困难。
本文从实验仿真的角度来给出各种常见卫星材料的偏振特性。
2 实验材料与实验方法2.1 实验材料与装置实验样品选取空间目标常用的组成材料铝板，太阳能电池板，银色镀铝聚酯薄膜，黄色镀铝聚酯薄膜。
实验样品如图2。
实验模拟光源由三角架、卤钨灯泡、光源箱、散热风扇、直流稳流稳压电源等组成。
实验光源可以三维调整。
偏振成像测量装置采用的是安徽光机所自行研制的地面可调波段偏振CCD 相机[12]，偏振探测波段中心波长665 nm ，带宽50 nm 。
光电工程 2010年7月262.2 实验测量方法偏振探测公式如下[12]：)2sin 2cos (21)(αααU Q I I ++=(3) 式中：)(αI 为仪器测量值，它表示在xoy 平面内偏振片透过轴与X 轴夹角为α的方向上进行观测所得到的光强；I 表示总的光强值；Q 表示水平和垂直线偏振分量之差；U 表示45°和135°线偏振分量之差。
在偏振测量时，采用分时的方式获取空间目标实验样品的三个偏振方向(0°，60°和120°)上的强度值。
由式(3)就可以求出来自目标光波的Stokes 参数，进而求出偏振度，偏振角等参数，对应的线偏振度P 为IU Q P 22+= (10≤≤P ) (4)3 实验结果与数据分析3.1 空间目标材料偏振特性图3(a)～3(d)给出了黄色镀铝聚酯薄膜，银色镀铝聚酯薄膜，太阳能电池板，铝板的偏振度特性随入射角和观测角变化曲面图。
其中x 轴为天顶角，y 轴为观测角，z 轴表示材料的偏振度。
在实际应用过程中，可根据观测情况选择合适的条件，例如相同观测角时，入射角变化，或者相位角(光源－目标－探测器夹角)变化将数据进行组合比较。
由于太阳能电池板的偏振特性显著，图4给出了两个封装不同的太阳能电池板的偏振特性随入射角的变化曲线，一个表面是采用聚酯玻璃封装，另一个表面则是采用钢化玻璃封装。
两种不同材料封装的太阳能电池板都有明显的镜反射特性，变化趋势相似，但是聚酯玻璃封装的太阳能电池板要较钢化玻璃封装的太阳能电池板的偏振度小，这个差别是由于组成材料不同引起的。
由于太阳能电池板的表面非常光滑，其偏振特性可根据式(1)计算菲涅耳反射系数获得。
3.2 空间目标缩比模型偏振特性了解了空间目标材料偏振成像数据后。
接着进一步探讨空间目标缩比模型的偏振特性。
实验中测量的空间目标缩比模型有三个，一个是仿照东方红三号卫星，尺寸大小为卫星模拟样品主体尺寸为21 cm×24cm×24 cm ，太阳能电池板尺寸120 cm×40 cm ，主体为铝块外面包覆着黄色镀铝聚酯薄膜，太阳能电池板粘贴在薄铝片上，一共有两块，并用螺钉紧固在卫星主体的两侧，太阳能电池板可以绕着本体转动。
第二个是包有黄色镀铝聚酯薄膜的柱体目标，直径5 cm ，高5 cm ，第三个则是模拟体装式卫星，表面完全被太阳能电池板覆盖，实物图如图5。