矢量偏振光简介
发布时间:2020-11-05 19:09:19 阅读次数:2657
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矢量偏振光的描述

 

矢量偏振光是一种非均匀的偏振光,它在光束的横截面上的每一点的偏振状态不尽相同,并不是均匀分布的。矢量光束中最为特殊的就是一种偏振态在横截面上呈轴对称分布的光束,即轴对称矢量光束,它是Helmholtz方程在柱坐标下的特殊解。本文默认探讨轴对称矢量光束
轴对称矢量光有径向偏振光、角向偏振光和广义轴对称矢量偏振光。

·  径向偏振光是指偏振方向在横截面上沿着径向的偏振光。

·  角向偏振光是指偏振方向在横截面上垂直于径向的偏振光。

·  广义轴对称偏振光是偏振方向在横截面上呈轴对称且同径向保持φ0夹角的偏振光,如图1所示。

图1.矢量偏振光的一般形式
在柱坐标下,轴对称矢量偏振光的电场表达式为:

式中,r是径向单位矢量,θ是角向单位矢量,E0(r)表示电场的相对振幅,与径向有关。由此得出,轴对称径向偏振光束和轴对称角向偏振光束的线性叠加构成了轴对称矢量偏振光束。

当φ0=0°时,表示径向矢量光,当φ0=90°,表示角向矢量光,如图2所示。

图2.径向矢量光(左)和角向矢量光(右)。
矢量偏振光在空间上的偏振特性与标量偏振光(如线偏振光)有显著的不同,引起了广泛关注,最引人注目的是其聚焦特性,例如,利用径向偏振光可以得到突破瑞利极限的聚焦斑,利用角向偏振光可以得到中空聚焦光束;其特殊的复振幅分布能够使聚焦光场呈现如"光链"、"光泡"、"平顶光场"等有趣结构;调控其偏振态的空间分布可研究自旋等物理过程。矢量偏振光在高分辨显微成像、光存储、材料加工等诸多方面已有应用。

 

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矢量偏振光的产生

 

矢量偏振光的产生方法可以分为两类:

·  腔内法(也称主动法),即通过特殊设计激光腔,直接输出矢量偏振光。其优点是产生效率高,但缺乏灵活性,并且特定设计的谐振腔只能产生具有特定偏振态分布的矢量光场。

·  腔外法(也称被动法),指在激光器外光路中插入特殊设计的光学元件或某种装置以改变激光的偏振态,从而形成矢量光场,常用螺旋相位板、液晶微纳元件、空间光调制器等器件,或组合波片法、相干偏振操纵法、磁光效应法等方法。该类方法的灵活性很强,可以通过调节光路或元件方便地获得不同结构的矢量光场。

 

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矢量偏振光的检验

 

区分标量偏振光与矢量偏振光

 

因其偏振分布不同,利用线偏振片可以简单快速地区分两种光束:旋转线偏振片,若在整个线偏振片的通光孔径内,观察到均匀的光强变化,则入射光为标量偏振光,反之则为矢量偏振光(即光强变化不均匀)。

图3.标量偏振光(左)和矢量偏振光(右)经过线偏振片的状态。

 

矢量偏振光的偏振态测量

 

>> 方法一:利用偏振分析仪

 

偏振分析仪是一种专用于测量光束偏振态的测量工具,能够通过内置的光路和光电转换组件快速获得光束的偏振态。
需注意偏振分析仪的一个特点: 仅能测量单点的偏振态,若光斑过大,则测量不准,使用前请仔细阅读说明书。另外,为了完整的描绘出矢量偏振分布,需要用偏振分析仪测量多个点。
>> 方法二:手动测量Stokes参量

斯托克斯(Stokes)参量可以用来描述单色光的偏振态。

一个平面单色波的斯托克斯参量可用下式表示:

式中,E0x、E0y分别代表入射光在x方向和y方向的振动分量的振幅,δ代表x方向和y方向的振动分量之间的相位差。可见,斯托克斯矢量的四个参量都具有光强度的单位。

假设两束不相干的单色光(S0’、S1’、S2’、S3’)、(S0”、S1”、S2”、S3”)在空间中某个区域叠加,合成波斯托克斯矢量的任意参量就是两束光对应的参量之和,即合成波的斯托克斯矢量为:(S0’+ S0”、S1’+ S1”、S2’+ S2”、S3’+ S3”)。一个给定波可以分解为偏振和非偏振的两个相互独立的部分。

理解各个参量的物理意义:

·  S0正比于入射光的总光强;
·  S1表征了光是更接近于x方向偏振(S1>0)还是y方向偏振(S1<0),S0=S1代表入射光是x轴方向振动线偏振光;
·  S2表征了光是更接近于+45°(S2>0)方向偏振还是-45°(S2<0)方向偏振;
·  S3表征了光是更接近于右旋圆偏振光(S3>0)还是左旋圆偏振光(S3<0)。
·  与偏振度的关系

·  偏振部分的偏振椭圆长轴方位角φ

·  偏振部分的偏振椭圆度ε

任何准单色光的斯托克斯参量都可以通过简单的实验来测定,如图4所示,需要用到的元件有:四分之一波片、线偏振片、相机。

图4.测量Stokes参量的光路示意图。

测量过程如下:

1. 相机前仅放置线偏振片,将线偏振片的透振方向调至水平,记录此时的光强,记为I(0,0);
2. 将线偏振片的透振方向调至竖直,记录此时的光强,记为I(90,0);
3. 在线偏振片前放置四分之一波片,将四分之一波片的快轴方向调至水平,同时将线偏振片的透振方向调至45°(水平方向逆时针旋转45°),记录此时的光强,记为I(45,0);
4. 保持四分之一波片不变,将线偏振片的透振方向调至135°(水平方向逆时针旋转135°),记录此时的光强,记为I(135,0);
5. 将四分之一波片的快轴方向调至竖直,同样线将偏振片的透振方向调至45°(水平方向逆时针旋转45°),记录此时的光强,记为I(45,90);
6. 保持四分之一波片不变,将线偏振片的透振方向调至135°(水平方向逆时针旋转135°),记录此时的光强,记为I(135,90)。

测量完成后,斯托克斯参量可通过下式计算:

       这样,可得到光束的偏振态分布。

 

 

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研究矢量偏振光,LBTEK能提供什么?

 

1、用于生成矢量光的液晶微纳元件

利用液晶、液晶聚合物并配合先进的光配相技术,可以实现液晶表面任意设计的快轴分布,从而使得出射光为矢量偏振光。   

如LBTEK涡旋波片,在入射光偏振态不同时,出射光偏振态也相应改变,设计其表面快轴分布可以得到径向偏振光、角向偏振光、涡旋光,如下图所示。   

LBTEK提供定制服务。

2、用于检验标量或矢量偏振光的线偏振片

该薄膜偏振片可以在特定波长范围内透射和吸收偏振光,可实现超高消光比。

3、用于检测偏振态的偏振分析仪

偏振态测量包括:四个Stokes参量、偏振消光比(PER)、偏振度(DOP)、椭偏度。软件操作简便,方便调节和测量设置。

4、用于测量Stokes参量的四分之一波片   

有石英空气隙四分之一波片、石英真零级四分之一波片、聚合物真零级四分之一波片、石英多级四分之一波片、消色差四分之一波片共5种不同材料和设计可选。

5、用于探测光强的相机光束质量分析仪

LBTEK提供各种参数的CMOS相机,以及光束质量分析仪。

6、搭建测试系统的所有光机械件

在同轴系统或自由空间使用的带有各种调控自由度光学元件安装架可选,也提供各类光学接杆、支架,还有面包板、光学平台

 

 

 

 

 

参考文献:

[1]Born,M.,Wolf,E..光学原理:光的传播、干涉和衍射的电磁理论(第七版)[M].北京:电子工业出版社,2009.10

[2]张艳丽,李小燕,朱健强.矢量偏振光束的产生及其高数值孔径聚焦特性[J].中国激光,2009(36):129-133.

[3]黄研,叶红安,高来勖,张敏,刘书钢.矢量偏振光束产生新方法[J].中国激光,2012(39):0402004.

[4]刘郑涛.矢量光束的紧聚焦特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[5]潘阳.矢量光场的聚焦特性和焦场调控[D].南京:东南大学,2015.

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