轴对称偏振
单模光纤中的偏振(极化)及保偏光纤和单偏振光纤
主偏振态的引入具有重要意义。首先，输出主偏振态没有色 散的结果表明，不管光纤长度和结构如何，有限带宽的信号 只要在输入处对准两个主态之一，在传输过程中，在一阶近 似条件下将保持其为主偏振态。其次，输入和输出主态都正 交的结果表明可以用它们作为描述任意结构和长度的单模光 纤中偏振色散的基矢。这一点很像保偏光纤中或短光纤中本 征偏振态。但两者有一基本的区别，即，主偏振态只是考虑 输入和输出偏振态，不考虑传输过程中偏振态的变化，也即 主偏振态不需要与光纤的本地双折射关联起来，也不考虑两 个偏振态之间的耦合过程，它们只依赖于整个光纤的双折射 的集合效应，而本征偏振态在传输过程中与光纤本地双折射 有关。在没有偏振模耦合时，主偏振态变成光纤的本征偏振 态，上述两种描述变成一样。
p l PMDlh 400 0.5 10 ( ps) 如果信号比特率仍为 10Gb/s，脉冲周期为 100ps，此时的 p 只有 10ps，只占
脉冲周期的十分之一，因而相邻脉冲重叠不严重，系统能够正常工作
1.3 偏振稳定性及其对系统性能的影响
假定输入信号为单一频率的线偏振波，光纤为具有（沿 z 轴） 均匀双折射的单模光纤。此类光纤有两个相互垂直的本征偏振轴
x y ，因而两偏振模的传输速度不一样。其结果引
起两个影响光纤传输特性的重要效应：偏振模色散 （PMD）和偏振不稳定。
1.2 PMD*
若光脉冲包含两偏振模，则会引起两偏振模的脉冲分散，即偏振模 色散，英文缩写为 PMD。由于 PMD 引起的脉冲传输时延差为
p gy gx
d y dx ( 1 1 ) d d vgy vgx
在普通单模光纤中，偏振模耦合总是存在的。若输入 信号不是正好对准主偏振态，则不能用式(3.26)式计算时延 差，而且时延差是频率的函数。这时群时延差服从马克斯 韦分布。在光纤长度 l h 时，群时延只与光纤长度的平方 根成正比，即
毕业论文《偏振光的产生及其应用》
摘要：随着偏振光技术的发展，其在生活中的应用也越来越广泛，该文通过对偏振光的分析，全面地介绍了偏振光的分类、产生方法及应用。
在偏振光产生的介绍中，分别介绍了线偏振光、椭圆偏振光、径向偏振光的产生方法，并利用电场矢量进行了具体分析。
最后介绍了偏振光在生活和研究中的应用。
关键字：光学；偏振光；双折射；应用；布儒斯特棱镜；振动The Production and the Application of Polarized LightZHU Zhao-yi,GUO Li-shuai(Electrical Engineering College,Longdong University,Qingyang 74500,Gansu)Abstract:With the development of the polarized light’s technology,it is used in the field more and more widely.Based on the analysis of the polarized light and comprehensively introduces the classification, the generation methods and application of polarized light. In the polarized light generated introduction, this paper introduces linearly polarized light, ellipse polarized light, radial polarized light generated methods, and uses electric field vector carryig on the concrete analysis. At last, the paper introduces the polarized light the application in life and studying.Key Words: optics;polarized light; the double refraction;application;brewster prism;vibration 1 引言光是一定波段范围的电磁波，是由于传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。
光波导模式 偏振、耦合与对称
光波导模式偏振、耦合与对称
光波导模式是指光在波导中传播时所呈现的特定模式或特性。
光波导模式可以根据偏振、耦合和对称性来进行分类和描述。
首先，让我们来看偏振。
光波可以是横向电场分量振荡的方向来描述其偏振状态。
在光波导中，偏振可以影响光的传播方式和特性。
光波导模式的偏振可以是横向电场分量沿着波导的方向（TE模式）或者横向磁场分量沿着波导的方向（TM模式）。
偏振对于光波导器件的设计和性能具有重要影响，因此在研究光波导模式时，偏振是一个重要的考虑因素。
其次，耦合是光波导模式中的另一个重要概念。
光波在不同波导之间的传播可以通过耦合来描述。
耦合可以分为垂直耦合和水平耦合，取决于光波导的结构和波导之间的相互作用。
耦合还可以用来描述光波在波导之间传输时的损耗和传输效率，因此在光学器件设计和光通信系统中具有重要作用。
最后，对称性也是光波导模式中的一个重要方面。
波导的几何形状和材料特性决定了光波导模式的对称性。
对称性可以影响光波导模式的性质和特性，例如模式的分布、传播方式和传输效率。
因
此，在研究光波导模式时，对称性是需要考虑的重要因素。
总之，光波导模式的偏振、耦合和对称性是描述光在波导中传播特性的重要概念，它们在光学器件设计、光通信系统和光学研究中具有重要作用。
对这些概念的深入理解可以帮助我们更好地设计和优化光学器件，提高光通信系统的性能，推动光学领域的发展。
偏振
符号表示
注意 二个互相垂直方向是任选的 . 个互相垂直方向是任选的 光矢量间无固定的相位关系 .
2.线偏振光（面偏振光）：光矢量E只在垂直于传播 ）：光矢量 2.线偏振光（面偏振光）：光矢量 只在垂直于传播 线偏振光
方向的平面内沿一固定方向振动 方向的平面内沿一固定方向振动 固定方向
v E
振动面
符号表示
B A
实验一 实验二
(1) 寻常光和非常光 o光(寻常光 遵循折射定律，且折射光在入射面内传 光 寻常光 遵循折射定律， 寻常光): 播。 sin i
sin γ 即沿各个方向折射率 相同 = n = 恒量
与入射角无关
e光(非常光 不遵循折射定律 光 非常光 非常光):
sin i sin γ ≠ 常 与入射角有关 数
M
P
N
N
ωt
I0 Im = 2
I0 IP = sin 2 ω t 2
I0 2 IN = sin ωt cos2 ωt 2
IN
ωt = π
4
I0 2 sin 2 t ω = 8
I0 / 8
(2n + 1) ， 射 强 大 时 透 光 最
ωt=450,1350,2250,3150时，输出光强为 π ωt = n时 透 光 最 ， 射 强 小
n tan i0 = = tan 58 0 = 1.599 ≈ 1.6 1
• 放在水中，则对应有 放在水中，
n 1.6 tani = = = 1.2 n水 1.33
' 0
所以： ' 所以： i0 = 50.30 该材料对水的相对折射率为1.2 该材料对水的相对折射率为
讨论
讨论下列光线的反射和折射（ 讨论下列光线的反射和折射（起偏角 i0 ）.
偏振光现象的观察和分析
偏振光现象的观察和分析摘要本实验用半导体激光通过偏振片来产生线偏振光，使其分别通过1/4波片和1/2波片，通过测量不同方向上检偏器透过的光的强度，判断出出射光的偏振态。
并证实了线偏振光通过1/4波片可以产生线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光，通过1/2波片可以产生线偏正光，验证了马吕斯定律。
一、引言振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。
只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。
在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。
凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。
偏振光的典型应用是偏光式3D 技术，其普遍用于商业影院和其它高端应用。
二、实验原理1.偏振光的种类光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E 称为光矢量。
在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。
如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面。
图1 电矢量垂直于纸面的偏振光图2 电矢量平行于纸面振光【1】光的五种偏振态：①线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，②部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等。
③自然光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅相等。
④椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，若它们的频率相同并且有固定的位相差，则该点的合成振动的轨迹一般呈椭圆形。
⑤圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。
2.线偏振的产生（1）偏振片利用某些有机化合物的“二向色性”制成，当自然光透过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片方向的分量几乎完全被吸收，而平行方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。
偏振现象的观察与分析
偏振现象的观察与分析➢引言1809年，法国工程师马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。
对于光的偏振现象研究，使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射等）的规律有了新的认识。
特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件、偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用，在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等应用中，都大量使用偏振技术。
本实验通过一系列的观察与测量，要求学生学习产生和鉴别各种偏振光并对其进行观察、分析和研究的方法，从而了解和掌握偏振片、1/4波片和1/2波片的作用和应用，加深对光的偏振的性质的认识。
➢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，且都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：1)自然光：在与光传播方向垂直的平面内，包含一切可能方向的横振动，即光波的电矢量在任一方向上具有相同的振幅。
普通光源发光的是自然光。
2)线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。
3)部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。
自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。
4)椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。
5)圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。
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)反射和折射产生的偏振根据布儒斯特定律，当自然光以i b=arctan n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，其反射光为完全线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，i b称为布儒斯特角。
偏振光学实验
亮暗是否变化？为什么？ 3．在第 2 题中用 1/2 波片代替 1/4 波片，情况如何？
104
100
虽然普通光源发出自然光，但在自然界中存在着各种偏振光，目前广泛使用的产生偏 振光的器件是人造偏振片，它利用二向色性获得偏振光（有些各向同性介质，在某种作用 下会呈现各向异性，能强烈吸收入射光矢量在某方向上的分量，而通过其垂直分量，从而 使入射的自然光变为偏振光，介质的这种性质称为二向色性．）．自然光经过偏振片，能量 损失一半，而成为线偏振光．
（5）作 I～cos2α的关系曲线，验证马吕斯定律．
图 5 实验光路
2．线偏振光通过 1/2 波片时的现象和 1/2 波片的作用． （1）测量光路见图 5．调节检偏器使两偏振片呈正交状态，在两偏振片间放入 1/2 波片； （2）转动 1/2 波片，观察出射光的光强变化．仔细调节波片至再次消光（即出射光最小）， 设定该位置为波片的初始角．
变化而不同．
当α = 0°时，出射光为振动方向平行 1/4 波片光轴的平面偏振光． 当α = π / 2 时，出射光为振动方向垂直于光轴的平面偏振光． 当α = π / 4 时，出射光为圆偏振光． 当α 为其它值时，出射光为椭圆偏振光．
【实验仪器】
红色 LED、恒流源、硅光电池、光电流计、偏振片（2 片）、1/2 波片、1/4 波片、导轨 和光具座
偏器的线偏振光的振幅为 A，
A = A0 cosα 因为探测器检测到的是光强，光强为 I = A2，
I = A02 cos2 α = I 0 cos2 α
经圆孔衍射的轴对称偏振光束在湍流大气中的平均光强分布和偏振特性
ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ １ ６ ，７ ６ ６ ５ －７ ６ ７ ３（ ２ ０ ０ ８ ） ．
［ ３ ］ Ｈ ．Ｌ ｉ ｎ ． ａ ｎ ｄ Ｊ ． Ｐ ｕ ， “ Ｐ ｒ ｏ ｐ ａ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｉ ａ ｌ ｌ ｙ
√ 卜
３数值计 算 和分析
（ ２ ）
其中 ， Ｄ 和Ｔ ｒ 分别表示了光束 的相干一 偏振矩阵 Ｊ （ ｒ ， ｒ ， ｚ ） 的行
列式值 和迹。 （ １ ） 和（ ２ ） 式可用于描述经 圆孔衍射 的轴对称偏 振光 束 ４结语 在湍 流大 气中的平均光强分布和偏振特性 。
图１ 和 图２ 显 示 了经 圆 孔 衍 射 的轴 对 称 偏 振 光 束在 湍 流 大气 中 对于不 同的结 构常数 和截断参数 的平均光强分布 。 由图１ 可 知， 经 圆孔衍射的轴对称偏 振光束受到 了大气湍流的影响， 随着 结 构常数 的增大 ， 平均光 强的峰值会减弱。 同时 ， 光强分布会 由中 空环状分布转 变为高斯分布 ， 这与在 自由空间里的情况是不 同的 。 同时 ， 在此转变的过程 中光束会变成平顶光束 ， 如 图２ （ ｂ ） 所示 。 图２ 描绘 了截断参数对 经圆孔衍射 的轴对称偏振光束在湍 流大气 中传
ｒ ｅ ｅ －ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍ ｍ ｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 。 ”Ｊ ．Ｏ ｐ ｔ ．Ｓ ｏ ｃ ． Ａ ｍ． Ａ １ ９ ，１ ７ ９ ４ － 输 的影响 ， 无孔情 况下（ ｍ） 的平均光 强分 布如 图２ （ ｃ ） 所示 。 由图 ｆ ８ ０ ２（ ２ ０ ０ ２ ） ． ２ 可以发现 ， 圆孑 Ｌ 光 阑的存在加强 了轴对称偏 振光 束的相干性 同时 １ ２ ］ Ｙ ．Ｃ ａ ｉ ，Ｑ ．Ｌ ｉ ｎ ，Ｈ ．Ｔ．Ｅ ｙ ｙ ｕ ｂ ｏ ？ ｌ ｕ ，ａ ｎ ｄ Ｙ ．Ｂ ａ ｙ ｋ ａ ｌ 。 “ Ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ 也减弱了湍流大气对 其的影响。 由于圆孔光阑的限制 ， 轴对称偏 振 ［
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轴对称偏振光束的产生与检测
建设目的：偏振是光的主要特性，我们通常所说的自然光、部分偏振光、平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光是一种空间偏振均匀的偏振光束。
轴对称偏振光束（包括径向偏振光和角向偏振光）电场振动方向在光束横截面上具有轴对称性，光束的波振面呈漩涡状，且中心呈现奇异性。
轴对称偏振光束独特的光学特性使其在生物光镊、空间通信、高分辨率显微镜技术、电子加速以及激光加工等领域有着非常重要的应用。
轴对称偏振光束简介：
轴对称偏振光束是一种特殊偏振态分布的矢量光束，其特点是偏振态在出之于波矢方向的横截面上分布暗组轴对称特性。
轴对称偏振光主要包括径向偏振光和角向偏振光，径向偏振光的偏振方向呈辐射状分布，角向偏振光为环绕状分布，如下图。
相对于传统单一偏振泰分布的光束，轴对称偏振光束呈现出很多不同的性质，其中最重要的特点是经过高数值孔径透镜聚焦后的场强分布。
轴对称偏振光束在表面等离子激发，激光光镊，光学加工等方面都有独特的应用。
轴对称偏振光束产生方法主要包括主动式和被动式两类，主动式为激光腔内谐振输出的光束即为所述光束，被动式指的是既有的普通激光光束通过一些转化装置变为轴对称光束。
本实验主要围绕被动方式进行。
实验原理：
在讨论具体的实验之前我们进行一定的基础分析：
θ
θ
f
s
E 0
E 1
一束线偏振光经过一个λ/2波片，偏振方向与波片的慢轴夹角为θ，透射后其偏振方向发生变化。
如图分析，入射光的快轴分量经过片相对提前了，出射光的偏振方向与慢轴夹角为-θ。
根据上述分析，就可以很好的理解本实验中所用的拼接半波片方法产生轴对称偏振光束的原理。
一块8片拼接波片装置，其慢轴方向标识如图，相邻的波片之间的慢轴夹角为22.5°，一束如图线偏光通过它之后变为径向偏振光。
注入激光光束：线偏光
（红色箭头标识偏振方向）组合半波片装置（黑色箭头标识波片慢轴）
输出激光光束：径向偏振光
（红色箭头标识偏振方向）
实验装置图如下， LASER CCD
λ/2Spatial
Block polarizer L1L2L3L4
激光器出射光束经过偏振片后变为线偏光（当然一般激光机器出射光束的偏振特性都比较好），经过两个焦距不同的共焦透镜将光束放大并准直，再经过中心不通光的玻璃板将中心光场滤除，形成环状光束以避免经过拼接半波片装置中心奇点，这样也便于光路的调整。
虚线框内的两个级联片可以将径向偏振光变为角向偏振光（思考题）；之后通过倒置的透镜组后用ccd接收并观测。
实验内容：
1 调整光路，在未加级联片的情况下，使之输出径向偏振光束，并且利用偏振片检查其偏振特性，记录实验图像。
2 加入级联片，调节输出角向偏振光束，并且利用偏振片检查其偏振特性，记录实验图像。
*
3 在不使用级联片的情况下，利用一块波片使之输出角向偏振光。
思考题：
1. 为什么级联片可以使径向偏振光变为角向偏振光，并用Jones矩阵方法表示其过程（没学过的可以上网调研该方法）
2. 调研并列举其他轴对称偏振光束的产生方法，选取其中一个较为详细的描述。
实验结果：
1 轴对称偏振光观察
2 径向偏振光的检偏
3 角向偏振光的检偏。