1、1毕业论文开题报告应用物理新型滤波器件研究一、选题的背景与意义光学滤波器是一种波长选择器件，能够在连续谱中能透过一定宽度的波长或在线状谱中提取某些辐射的波长，它在空间通讯、光谱分析、光纤通信、激光技术以及雷达技术等领域有着广泛的应用。当前所使用的光学滤波器主要基于双折射效应以及干涉原理，也有基于光纤光栅等结构设计的可调谐的光学滤波器，但基于具有旋光特性的手性晶体所设计的滤波器在国内报道较少。近年来，手性材料及其波导器件的理论、设计和实验测试等也正受到越来越多学者的关注，但国内外基于晶体旋光色散特性的光学滤波器的设计几乎集中在石英晶体，而石英晶体作为一种各向异性的固体手性介质存在双折射现象。氯酸
2、钠晶体作为一种合适的各向同性的手性晶体，较之石英晶体在光学特性上有很大的优势，因为其各向同性的特性，并不存在类似石英晶体的光轴，故能更好的利用光在晶体内部传输时的各种光学特性，同时由于手性晶体自身所具有的旋光色散特性，故具有高透射率、易制作、无使用波段限制等优势，且原材料易于制备，所以将其设计成光滤波器有着良好的前景。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题由于目前大尺寸氯酸钠晶体的制备较为困难，一直限制了对氯酸钠晶体的光学特性及其相关应用的研究，我们拟基于标准溶液法生长出大尺寸氯酸钠晶体（长3062MM、宽2960MM、高2834MM），设计并研制一种基于各向同性手性晶体的光学滤波器，努力使得在
3、优化了器件结构的同时，又能达到良好的滤波效果。同时，用MUELLER矩阵对其进行理论模拟，从理论和实验两方面来研究所设计的滤波器的性能。同时，还可制备不同旋向的氯酸钠晶体，通过不同旋光方向的晶体组合的方式来设计和制作新颖的光学器件。三、研究的方法与技术路线基于氯酸钠晶体的各向同性和旋光色散特性，设计并研制一种新型光学滤波器，利用BREWSTER角内反射时反射光为零的特性，起到普通旋光光学滤波器的2偏振器的效果，故而以此来减小体积、降低成本。另外，运用使用普遍的MUELLER矩阵对其进行理论设计和分析，同时，亦对成型的器件进行试验测试，力图从理论和实验两方面来对该滤波器的性能进行测试和研究。同时
4、，还可进一步生长不同旋向的氯酸钠晶体，以此为基础设计并制作一种高适用性的相位延迟器。四、研究的总体安排与进度12010年11月到2011年1月，查阅相关文献，了解滤波器相关特性与研究现状，学习MUELLER矩阵的相关计算。32011年2月到2011年3月，对滤波器进行设计与实验，并对其进行理论分析。42011年3月到2011年4月，基于现有数据和实验结论完成论文。五、主要参考文献1CHUNYE2003APPLOPT4245052CHUNYE2006APPLOPT4511623ZHANGS,WUFQ,WUWD,WANGHF2007CHINOPTLETT57174张姗、吴福全、吴闻迪2008物理学
5、报5750205张姗、吴福全、苏富芳、邵俊平、洪芳2008光学学报2822156卢亚雄、吕百达1989矩阵光学大连大连理工大学出版社7罗彻斯特光学院著竺庆春、陈时胜译矩阵光学导论上海上海科学技术文献出版社3毕业论文文献综述应用物理新型滤波器件研究摘要对当下的主要的光学滤波器的原理，结构、特性与用途作了介绍，还介绍了基于旋光材料设计的光学滤波器及其优缺点和发展前景。关键字光学滤波器、干涉型、衍射型、吸收型、旋光色散一、引言光学滤波器是一种波长选择器件，能够在连续谱中能透过一定宽度的波长或在线状谱中提取某些辐射的波长1，它在空间通讯、光谱分析、光纤通信、激光技术以及雷达技术等领域有着广泛的应用，基
6、于不同的原理，光学滤波器大致可以分为干涉型、衍射型和吸收型三类2。当前，随着光纤传感技术，密集波分复用（DWDM），光时分复用（OTDM）技术的发展，对光学滤波器的可调谐性、透过率以及精细度的要求越来越高，同时也对器件的小型化和低成本提出了一定要求。本文对当下研究较多的光学滤波器作了介绍，从原理和机构上对其进行分析，还着重介绍了基于旋光色散原理所设计的光学滤波器。二、干涉型光学滤波器21多层膜干涉可调谐光滤波器（TFF）多层膜干涉可调谐光滤波器是基于多光束干涉原理所形成的课调谐滤波器件，通过改变滤光片的入射角度实现可调谐滤波。其基本结构由镀制在玻璃基片上的高（H）/低（L）折射率材料膜层构成多
7、个FP腔，从而实现窄带滤波。如图1所示。图1TFF滤波器结构示意图22FP腔可调谐光学滤波器4FP腔可调谐光滤波器的结构如图2所示，由FP腔和准直器两个部分组成。光经准直器准直之后进入FP腔，通过改变FP腔的腔长来实现波长选择；FP腔可受直流电压控制，通过调节直流电源的电压达到选择所要求的输出光波长。单FP腔技术的可调谐光滤波器可以由MEMS、压电、液晶等技术实现。图2FP腔滤波器结构示意23MACHZEHNDER光滤波器35其结构如图1所示，由两个输入、输出端和3DB耦合器组成。两个3DB耦合器中间的两臂光纤长度不等，相差L，在臂上贴上热敏膜或加上PZT就能够调整L。其原理同样基于光的干涉理
8、论，即两束相干光经过不同波长的光纤传输后发生干涉。两个不同波长的光通过光纤传输进滤波器端口1，经3DB耦合器后光强均匀的分布到两臂上，由于两臂的长度相差L，故而两束相干光经两臂传输后，会产生相位差，通过调整期中一臂（光波导）的折射率来改变L，当为特定值时即能在输出端输出未被相消得波长，故而将不同波长分离开来。图3MACHZEHNDER光滤波器示意图三、衍射型光学滤波器31闪耀光栅光栅滤波器是不可调谐滤波器中的一种，衍射光栅的最基本结构是在一块透明材料平面波导上平行地刻划出一系列沟槽或在材料中形成光折射率周期变化的区域。例如对于正弦光栅，当用具有不同空间频率（波长）的光入射时，由于所有非零级主极
9、大的条纹都出现在不同位置上，使得不同波长的光被分离开来6。而为了实际工作中将光强集中在位置可分辨的非零级主极大中，人们设计了一种闪耀光栅，其是在玻璃基底上等间距的刻出锯齿状槽面儿形成的，其剖面如图4所示，其通过闪耀角的设计，使光栅使用与某一特定波段的某级光谱上，目前很多光栅光谱仪均使用闪耀光栅。5图4闪耀光栅32波导光栅路由器7衍射光栅的另一种应用是波导光栅路由器（WAVEGUIDEGRATINGROUTER,WGR），又称集成阵列波导光栅ARRAYEDWAVEGUIDEGRATING,AWG。集成阵列波导光栅的典型结构如图5所示。它由输入/输出波导、星型波导和阵列波导三部分组成。其中，输入星
10、形波导与阵列波导组成一个相位控制器，使得到达衍射光栅的光波相位与光的输入端口、光波长有关。与阵列波导输出端面相连的星形波导的输入端面充当衍射光栅的作用。它不需要用模拟信号来控制滤波特性,也不需要反馈控制电路及鉴频电路来保持稳定，故而使得它一诞生就在WDM光网络中得到广泛的应用。图5AWG的基本结构构四、吸收型光学滤波器41选择吸收滤光片1滤光片主要分为液体滤光片、有色玻璃滤光片、有机物质滤光片和气体滤光器。其中，有色玻璃滤光片的应用较为广泛，同时也较为常见，并且广泛的应用到人们的日常生活中。其大多由无机盐制成，其优点是稳定、均匀和良好的光学质量。然而，由于其带通很少低于630NM，故而会掺杂一
11、些稀土元素，从而使通带减少至10NM左右。42原子共振光滤波器9原子共振滤波器（ATOMICRESONANCEFILTER，简写成ARF）于70年代末期开始研究，它是一种超高Q值（105106）的光学滤波器,具有超窄带宽（0001NM），各向同性，全视角接收（接收角接近180），其中心波长对环境因素不敏感等特点。ARF是利用原子跃迁制造出的超窄带滤波装置。具有原子跃迁线（波长）的入射光子在共振线被含在蒸气炉中的原子吸收，然后这些原子以另外波长重新辐射，替代了入射波长中允许通过的发射光，同时阻止了入射波长中的其它辐射。故而它尤其适用于低能窄带辐射的检测。例如，连续背景光（如太阳光）下微弱窄带（如
12、激光信号）信号的检测。ARF的工作波长可由近紫外、可见到近红外谱区。它的应用范围很广，可用于水下通信，激光雷达，空间激光通信，气象雷达，卫星跟踪，激光遥感与测绘，火箭排烟与诊断，燃烧研究等等。五、旋光色散光学滤波器当前对旋光色散滤波器的报道并不多见，且主要集中在石英晶体。2003年，芬兰欧鲁大学的YE首次报道了一种利用旋光色散特性研制而成的新型可调谐光学滤波器9，它是将N个厚度比分别为12482N1的旋光器依次放置在N1个方位角成比例的偏振片之间构成的，只需通过改变滤波器中每级出射偏振片的方位角就可以对出射光进行调谐。这种滤波器具有制作方便、透射率高且没有使用波段限制等优点。而后，其在2004
13、年又报道了一种带通可调谐的光学滤波器10，其引入了铁电液晶，使得其能被电所调制。国内的曲阜师范大学的张姗等人在2007年报道了将石英晶体旋光滤波器应用于激光倍频的测试的研究11，得出当倍频光和基频光的偏振器的旋转角相差2N1/2N0,1,3,时就能获得倍频激光的二次谐波。在2008年，又报道了对CHUNYE所设计的光学滤波器的滤波特性所作的研究12，得出多级石英晶体旋光光学滤波器与单级相比通带半宽度得到了有效的压缩，且随滤波器级数的增大，压缩的程度也随之增大。总体上来说，旋光色散光学滤波器由于其基于旋光色散原理，使得该类滤波器本身就具无使用波段限制，制作相对简便和透射率高等特点，故具有较好的发
14、展前景。六、总结从上文中可见，当前所使用的光学滤波器主要基干涉原理，也有基于光栅等结构设计的可调谐的光学滤波器，但基于具有旋光特性的手性晶体所设计的滤波器在国内报道较少。近年来，手性材料及其波导器件的理论、设计和实验测试等也正受到越来越多学者的关注，但7国内外基于晶体旋光色散特性的光学滤波器的设计几乎集中在石英晶体，而石英晶体作为一种各向异性的固体手性介质存在双折射现象。氯酸钠晶体作为一种合适的各向同性的手性晶体，较之石英晶体在光学特性上有很大的优势，因为其各向同性的特性，并不存在类似石英晶体的光轴，故能更好的利用光在晶体内部传输时的各种光学特性，2010年，就报道了关于氯酸钠晶体内反射时的光
15、学特性的研究13。同时，由于手性晶体自身所具有的旋光色散特性，故具有高透射率、易制作、无使用波段限制等优势，且原材料易于制备，所以将其设计成光滤波器有着良好的前景。参考文献1弗朗松M著,徐森禄译用于辐射分离的光学滤光片M北京科学出版社,19842原荣光通信技术讲座四光滤波器和波分解复用器J光通信技术,2003,450543廖青可调谐光纤FABRYPEROT光滤波器的研究D北京清华大学电子工程系,1993,5104HLAN,XZLIN,EYBPUN,HDLIUMULTIWAVELENGTHOPERATIONOFANERBIUMDOPEDFIBERRINGLASERUSINGADUALPASSMA
16、CHZEHNDERCOMBFILTERJ,OPTICSCOMMUNICATIONS,1999,1691591655ROMEOBERNINI,ANDREACUSANOGENERALIZEDMACHZEHNDERINTERFEROMETERSFORSENSINGAPPLICATIONSJ,SENSORSANDACTUATORSBCHEMICAL,2004,10012272746游璞,于国萍光学M北京高等教育出版社,20037郑小平,施红园,陈雯路等利用集成阵列波导光栅实现信道选择J光电子激光,2000,1132352378张华,迎春,俞俊华原子共振滤波器研究的发展J激光技术,2000,245318
17、3219CHUNYEWAVELENGTHTUNABLESPECTRALFILTERSBASEDONTHEOPTICALROTATORYDISPERSIONEFFECTJAPPLIEDOPTICS,2003,4222,4505451310CHUNYELIQUIDCRYSTALBANDPASSFILTERBASEDONTHEOPTICALROTATORYDISPERSIONEFFECTJAPPLIEDOPTICS,2004,434400711SHANZHANG,FUQUANWU,WENDIWU,ANDHAIFENGWANGQUARTZOPTICALFILTERFORWAVELENGTHSELECT
18、IONOFFREQUENCYDOUBLEDLASERBASEDONOPTICALROTATORYDISPERSIONEFFECTJCHINESEOPTICSLETTERS,2007,51271712张姗,吴福全,吴闻迪多级石英晶体旋光光学滤波器的滤波特性J2008,5785020502613张斌,谭炳辉,潘雪丰,潘建国,陶卫东,大尺寸旋光晶体内反射偏振特性的研究J光学仪器,2010,321545889本科毕业设计（20届）新型滤波器件的研究摘要10【摘要】用标准水溶液法生长出的长3062MM、宽2920MM、高2834MM的大尺寸氯酸钠晶体，用线偏振的HENE激光入射到氯酸钠晶体，使在其内部以
19、BREWSTER角内反射并再经过全反射出射。从理论和实验的两方面对该大尺寸氯酸钠晶体内反射时的偏振特性做了研究，发现在消光位置，氯酸钠晶体入射光的偏振取向较之普通玻璃的入射光偏振取向旋过了8743。同时，基于氯酸钠晶体的各向同性和旋光色散特性，首次利用线偏振光以BREWSTER角内反射时P分量反射率为零的特性，研制出一种新型内反射旋光光学滤波器，该光学滤波器仅需采用单个偏振片，即可达到良好的滤波效果。利用MUELLER矩阵对该滤波器的滤波特性进行理论分析以及实验测试，结果表明对含有532NM和6328NM谱线的线偏振光，改变起偏器角度即可连续调制出射红、绿光的光强，当起偏器较初始位置旋转过13
20、336和17306时，绿光和红光分别消光，绿光和红光的隔离度可达10DB。另外，测试了该滤波器对一般带状光谱的滤波效果，得出通过旋转起偏器，能够连续调制出射光谱线的峰值波长。【关键词】光学滤波器；各向同性；布儒斯特角；内反射。XIABSTRACT【ABSTRACT】THELARGESIZEDCUBESHAPEDCRYSTALSOFSODIUMCHLORATEWITHTHEDIMENSIONOF3062CM2920CM2834MMISGROWNBYUSINGSTANDARDAQUEOUSSOLUTIONFORTHEPOLARIZEDHENELASERLIGHTINCIDENTUPONTHESOD
21、IUMCHLORATECRYSTAL,WEMAKEITACCOMPLISHTWOTIMESINTERNALREFLECTIONFIRSTATITSINTERNALBREWSTERANGLEOF3342ANDTHENATTOTALREFLECTIONANGLEFORTHEFIRSTTIMEWEINVESTIGATETHEPOLARIZATIONCHARACTERISTICOFLIGHTINTHECASEOFABOVECOURSEBYTHEORYANDEXPERIMENTATTHEEXTINCTIONPOSITION,ITISFOUNDTHATTHEPOLARIZEDTROPISMOFLIGHTI
22、NCIDENTUPONTHESODIUMCHLORATECRYSTALISROTATEDATTHEANGLEOF8743COMPAREDWITHLIGHTINCIDENTUPONTHEGLASSATTHESAMETIME,BASEDONTHEOPTICALROTATORYDISPERSIONANDTHEISOTROPICOFTHESODIUMCHLORATECRYSTALS,ANEWTYPEOFOPTICALFILTERBYINTERNALREFLECTIONANDOPTICALROTATIONISFIRSTLYDEVELOPEDDUETOTHESPECIALITYOFTHEZEROREFLE
23、CTIVITYWHENTHELINEARLYPOLARIZEDLIGHTISREFLECTEDATBREWSTERANGLE,THEOPTICALFILTERCANOBTAINAGOODFILTERINGEFFECTBYUSINGONLYSINGLEPOLARIZERANALYSETHEFILTERINGCHARACTERISTICSBYMUELLERMATRIXANDTHROUGHTHEEXPERIMENTALTESTTHEFILTERINGCHARACTERISTICSISANALYZEDBYMUELLERMATRIXANDTESTEDBYEXPERIMENTTHERESULTSSHOWT
24、HATTHEINTENSITYOFEMITTEDREDORGREENLIGHTCANBECONTINUOUSLYMODULATEDBYCHANGINGTHEANGLEOFTHEPOLARIZERTHEEXTINCTIONOFGREENORREDLIGHTAPPEARSWHENTHEROTATEANGLEOFTHEPOLARIZERISRESPECTIVELYAT13336OR17306RELATIVETOTHEINITIALPOSITIONTHEISOLATIONOFGREENANDREDCANBEABOUT10DBINADDITION,THEPERFORMANCEOFTHEOPTICALFI
25、LTERFORBANDSPECTRUMISTASTEDITISFOUNDTHEPEAKWAVELENGTHCANBEMODULATEDCONTINUOUSLYBYROTATINGTHEPOLARIZER【KEYWORDS】OPTICALFILTERISOTROPYBREWSTERANGLEINTERNALREFLECTIONXII目录1绪论111光学滤波器概述112各向同性手性晶体的研究及现状113旋光色散光学滤波器的研究及意义22基本原理与实验准备33光学特性研究531理论模拟532实验过程及讨论633小结74滤波器研究841数值模拟842实验结果及分析1043带状光谱滤波1344小结145
26、总结与展望15参考文献16在校期间所取得的科研成果错误未定义书签。致谢错误未定义书签。11绪论11光学滤波器概述光学滤波器作为一种波长选择器件，其能在分离谱中提取某些辐射的波长，或在连续谱中透过一定宽度的波长1。当前，伴随着光通信技术和光传感技术的发展，光学滤波器在波分复用（WDM）2和时分复用（TDM）技术中有着十分重要的应用。同时，它还在空间通讯、光谱分析、光纤通信、太阳物理3、激光技术4以及雷达技术等领域有着广泛的应用。目前的光学滤波器（滤光片）大致包括LYOT型滤波器、原子共振滤波器ARF5、FARADAY反常色散滤波器FADOF6、法布里珀罗滤波器、光纤布拉格光栅滤波器7、MACHZ
27、EHNDER干涉滤波器、声光可调谐滤波器（AOTF）8及基于光子晶体的小型光学滤波器9等。其中LYOT型滤波器使用最早，其实际是一种基于双折射原理所设计的滤光片，由石英晶体双折射所产生的相位差起到滤波效果，所以其具有视场大、抗损伤能力强等优点和带通较窄等特点10。原子共振滤波器（ARF）的原理是由NBLOEMBERGEN11提出的，具体在80年代兴起5，12，其利用原子对信号光的吸收效应，故具有超窄带宽（0001NM）、各向同性及大接受视角等优点被视作较理想的窄带光学滤波器。“然而由于其系统效率低，易受使用能级寿命限制，无法进行实时工作，故对高数据通信有着很大的不利影响。所以，在90年代初，开
28、始将FARADAY反常色散效应引入滤波器的设计中，其主要基于FARADAY反常色散效应，使得线偏振光沿着在磁场作用下的原子蒸汽池传播时，偏振面发生旋转，从而通过调节工作条件，就可以得到具有很窄带宽的最大透射”13。法布里珀罗滤波器是当前生产生活中较为常见的一种，光波在FP腔内发生干涉，通过MEMS、压电和液晶等技术使得FP腔可被电压所调制14。光纤布拉格光栅滤波器则是基于布拉格光纤光栅对特定波长具有相对较高的反射率，故而将其组合或者通过对其参数的调制可以选择不同的放射光波长。MACHZEHNDER干涉滤波器和声光可调谐滤波器（AOTF）分别根据传统的干涉原理和布拉格原理及光弹效应。2003年，
29、芬兰的CHUNYE报道了一种基于旋光色散原理所制作的可调谐带通滤波器15，而后在2008年，国内也有对其的工作做了更深一步的研究，还将其用于了粉末倍频测试中1618。12各向同性手性晶体的研究及现状当前对石英晶体的研究已较为广泛和深入，除去在光学特性及其器件上的研究和应用，它还可以作为一种压电材料，来制作石英谐振器和滤波器。手性晶体一般都具有旋光现象，有些还具有明显的色散效应，比方石英晶体、溴酸钠晶体、氯酸钠晶体等。旋光色散效应主要是指“某些晶体或者由于晶体结构的原因，使得在光电场作用下，晶体内产生的电极化在空间分布有不均匀的现象，导致晶体的电极化强度与光电场不成线性关系，这种现象称为旋光性或
30、称光活性（OPTICALACTIVITY）”219具体表现为“当入射光为单色线偏振光时，振动面的旋转角度与光在晶体内所经过的路程L成正比，同时还跟光的波长有关”。20一般手性晶体（材料）主要为各向异性，典型的如石英晶体、NANO2晶体等。像NACLO3和NABRO3这类固体的各向同性手性材料21并不多见。而当前对这些各向同性的手性晶体的研究主要集中光学和材料特性及晶体生长等方面的研究。例如1951年，GNRAMACHANDRAN和FASC首次在理论上模拟了NACLO3和NABRO3晶体在不同波长下的旋光率的近似值22。1968年，哈佛的HJSIMON和NBLOEMBERGEN报道了NACLO3
31、和NABRO3晶体的非线性效应，即二次谐波的产生23。1971年，牛津的CRJEGGO也报道了NACLO3晶体非线性效应和旋光现象的理论研究24。1998年，AAKAMINSKII对将NACLO3晶体用作RAMAN激光介质作了研究25。2001年，SHANNONMAHURIN等人对通过蒸发水溶液法所生长的氯酸钠晶体在射线下的特性作了研究26。2006年，宁波大学的陶卫东等人报道了对于可见光波段的氯酸钠晶体的旋光色散（ORD）特性及圆二色性（CD）的研究27，进一步从实验上验证了氯酸钠晶体的各向同性的特性。13旋光色散光学滤波器的研究及意义在2003年，FINLANDOULU大学的CHUNYE报
32、道了一种基于石英晶体旋光色散特性所设计并制作的波长可调谐的光谱滤波器。它通过一系列的旋光色散器件的组合来筛选波长，其通过内部元器件的选择，在不需要消色差相位延迟器的请况下即可实现机械调谐、电至调谐和电至开关。2004年，他将液晶引入该种滤波器中，从而实现了电至调谐和开闭15。2006年，通过将滤波器内部的偏振器换成四分之一波片，大大降低了该类滤波器的插入损耗28。2007年，曲阜师范大学的张姗等人根据CHUNYE的研究，将该滤波器的原理结构用于二次谐波效应的测试，取得了良好的效果18。次年，进一步对CHUNYE所设计的滤波器性能及特征参数进行了分析16、17。由于旋光色散光学滤波器所使用的旋光
33、晶体自身就具有高透射率，无使用波段限制，制作简单，等特点。同时，当前对此类光学滤波器的研究还不够深入和广泛，且由于旋光色散原理的使用，在一定程度上也限制了滤波器的小型化和廉价化。故而就有必要对其作进一步的研究，在保证良好的滤波性能的前提下，使器件更小、调谐速度更快。32基本原理与实验准备一些晶体由于自身的的独特结构而存在旋光现象，当入射光为单色线偏振光时，振动面的旋转角度与光在晶体内所经过的路程L成正比29L21式中为晶体的旋光率，在晶体中旋光率与光波的波长有关，旋光率的单位是/MM。实验测得氯酸钠晶体在6328NM波长下的旋光率为27/MM，在532NM波长下旋光率为39/MM。21旋光原理
34、图像根据菲涅尔反射、折射原理，当一束光在介质的界面上发生反射和折射时，其入射光可分解为垂直于入射面的S分量和平行于入射面的P分量，而且发生反射和折射时P分量和S分量的振幅都会有一定的衰减或增强，其反射和透射的振幅比遵循式22至25。式中RP和RS代表P分量和S分量的振幅反射比，TP和TS代表P分量和S分量的振幅透射比，I1为入射角，I1为反射角，I2为折射角。图22菲涅尔反射折射坐标系112112SINSINSSSEIIREII22112112TANTANPPPEIIREII232121122COSSINSINSSSEIITEII24212112122COSSINSINCOSPPPEIITEI
35、III254图23内、外反射时光强反射率曲线由式22可知，当入射光以一定的角度（即BREWSTER角）入射时，P分量的反射率为零，又根据式22，BREWSTER角IB可由式26求得。21ARCTANBNIN26对于一束线偏振光以BREWSTER角反射时，反射光强随入射光相对于入射面的偏振方向的变化会有不同，特别当线偏振光通过普通玻璃和具有旋光性的氯酸钠晶体时，由于偏振取向在氯酸钠晶体内部旋转，两者的出射光的偏振特性便会有显著的差异。又由于氯酸钠晶体的旋光色散特性，当以同一偏振方向入射时，不同波长的线偏振光的偏振方向会在晶体内部旋转过不同的角度，故对于入射晶体时偏振方向相同的线偏振光，其在晶体内
36、部以布儒斯特角反射时，反射光强会因波长而有不同。图24实验用氯酸钠晶体实物图实验使用图24所示的氯酸钠晶体。经测量，其长3062MM、宽2920MM、高2834MM，普通玻璃和氯酸钠晶体的折射率分别为15147和15139。实验使用的设备包括波长为6328NM的HJ1B型HENE激光器，波长为532NM、功率为100MW的半导体激光器，KH221A步进电机带动的偏振片，OCEANOPTICS的USB4000光纤光谱仪组成，5584A斩波器，LI5640锁相放大器以及其他常用光学器件。53光学特性研究31理论模拟经式26得玻璃的BREWSTER角为3342，氯酸钠晶体为3344，故相应入射角I1
37、分别为5658和5656。又由式23可知，反射角极其细微变化对P分量的反射率影响并不大，故入射角统一取5657。图31光线在玻璃和氯酸钠晶体内的路径示意图由于玻璃不具有旋光性，当线偏光从折射面1入射时，P分量会因反射面1的零反射率而没有反射光，故线偏振光入射普通玻璃时可只取在折射面1入射时的S分量，又光强与振幅的平方成正比，且我们只研究偏振特性的变化，对光强数值上并不做要求，所以用振幅来表示相对光强的大小，故由式2225推出最终从玻璃出射的光强正比于式31。22SINSSSATRT31其中112COSSINSINBSBIITII；112SINSINBSIIRII；1122COSSINSINBS
38、IITII；IB3342；I15658；为线偏振的入射光的偏振取向与水平面的夹角（按逆时针方向旋转）。当通过氯酸钠晶体时，由于氯酸钠晶体内部的旋光效应，在线偏光入射时还必须考虑P分量。我们设入射光振幅为“1”，则在折射面1上P分量和S分量的振幅分别为COSPASINSA32考虑到在晶体内部的旋光效应，反射面1上按BREWSTER角内反射时，其P分量与S分量的振幅取向已经在晶体内部偏转过了的角度，由式21求得9303。依据BREWSTER角反射的性质，经如图31反射面1反射后仅剩下光矢量的S分量，从而经反射面2全反射后在折射面1界面上的偏振态不随入射光偏振方向而有所变化，即P分量和S分量的相对大
39、小不变，已知光在晶体内部传输时各界面上入射角、反射角、折射角均不发生变化，故各界面上的P分量和S分量的振幅反射透射比RP、TP、RS、TS为定值，故而折射面1上再次透射时的透射光强与入射光的偏振方6向无光，仅与反射面1反射后的光强有关，所以根据式22、24、25，得出经反射面1反射后的振幅的平方即正比于最终出射光光强。222SINCOSCOSSINSPSATTR33222SINSABCR34其中COSSBT；SINPCT；22ARCCOSBBC32实验过程及讨论将一块立方体形的普通玻璃和氯酸钠晶体（图24）放在水平台上。HENE激光器发出的激光，经斩波器调制，再经起偏器转换成线偏振光，最后如图
40、31所示以I15657角入射，经反射面1和2反射后，最终再从折射面1透射出来。用光电探头测量出射光光强值，再经模数转化器转换之后在PC终端上输出。由计算机程序带动步进电机来控制偏振取向（起偏器），使其没转每转1，便测量一次光强值，共转过360，实验装置见图32所示。图32实验装置示意图由于本文只讨论线偏光经普通玻璃和氯酸钠晶体并以布儒斯特角内反射后的出射光的偏振特性的变化，对具体的光强大小并不作要求。故根据式31和21式可作出相应的曲线并归一化后与实验值做比对，由于实验时线偏振光的起始偏振方向为385，所以在理论模拟时，式31和33均需加上385的横向位移，从而得式35、36。22SIN385
41、SSSATRT35222SIN385COSCOS385SINSPSATTR36将式35、36所作图线与实际测量值所描绘的图线一同经归一化处理后作比较（见图33）。由于所测数据点非常密集，为更清楚地将实验值与理论值在图中作比较，我们按固定间隔4抽取了其中1/4的实验数据点绘制成散点实验图线。1HENE激光器；2斩波器；3步进电机带动的起偏器；4光电探头（接锁相放大器）；5样本（玻璃、氯酸钠晶体）；7玻璃实验值；氯酸钠晶体实验值；玻璃理论值；氯酸钠晶体理论值；图33归一化后的出射光强随入射线偏振光偏振取向变化曲线如图所示，入射到氯酸钠晶体中时由于晶体的旋光效应使相对光强变化曲线的相位刚好落后普通玻
42、璃180。22COSARCCOSCOSSINSSPTTT37将相应数值代入式37求得为9257，即当在使玻璃消光的偏振取向上再转过8743便能使从氯酸钠晶体出射的光消光。由实验数据得出氯酸钠消光的偏振取向较之玻璃旋过了875，考虑到实验精度及环境因素的影响，实验与理论预期取得了很好的吻合。33小结我们通过实验和理论计算研究了氯酸钠晶体对不同偏振取向的线偏振光以布儒斯特角内反射时偏振特性的变化，并将普通玻璃作为参照物，进一步说明了内反射时旋光晶体的偏振特性的变化。84滤波器研究41数值模拟图41滤波器结构示意图本文设计的反射型旋光光学滤波器结构如图41所示，仅由一个起偏器和各向同性旋光晶体组成。
43、入射光经起偏器起偏后直接入射氯酸钠晶体，经反射面1以布儒斯特角反射后，再从折射面1出射。由于氯酸钠晶体的立方形结构，出射光恰与入射光平行且方向相反。图41中的I1、IB表示相应界面上的入射角，亦可参见图24的具体传输路径示意。上文中已对线偏振光在氯酸钠晶体内以BREWSTER角内反射时的偏振特性作了数值模拟，其用常规的正交分解的方法，虽然较为简单，但物理思想不够清晰、明了，故我们使用当前较为常用的MUELLER矩阵对不同波长下的线偏振光在氯酸钠晶体内部以BREWSTER角内反射时的偏振特性作了理论模拟，使得该方法更为通用与明晰。已知入射光的STOKES矢量SIN18和偏振片的MUELLER矩阵
44、MP30以及旋光晶体的MUELLER矩阵MR29分别为1000INS412212202222012222020000PCSCCCSMSCSS42上式中，2COS2C，2SIN2S。又由于如图41所示，本设计测试时令偏振片从竖直方9向开始按顺时针旋转，故需令90。10000COS2SIN200SIN2COS200001RM43已知在介质界面上的透射光的JONES矩阵JT和BREWSTER角反射光的JONES矩阵JB分别为3100PTSTJT44000BSJR45根据式4632可将JONES矩阵转化为MUELLER矩阵。111121211111212111122122111221221212222
45、2121222221211222112112221111121211111212112111112112122222121222222221212212GJGJGJGJGJGJIGJGJGJGJGJGJGJGJGJGJGJGJGJGJGJGJIGGJGJGJGJGJGJM112222121221211112121111121211111222112112221121222221212222212122122111221221121112212211112221121122211212212JGJGJGJGJGJGJGJGJGJIGJGJGJGJGJGJGJGJGJGJIGJGJIGJGJIGG
46、JGJGJGJ21122211221111221122122112212112JGJGJGJGJGJGJGJ46式中NMG定义为相对应的NMJ的复共轭。故得出TJ、BJ对应的MUELLER矩阵TM和BM。2222222200001200200002PSPSPSPSTPSPSTTTTTTTTMTTTT47222200001200000000SSSSBRRRRM48所以从如图41所示的反射面1反射后的STOKES参量为10RBTPINSMMMS2211SINSINCOSCOS00RPSSSTTR49依据最终在晶体折射面1出射光的光强正比于式4S10。2COSCOSSINSINSPITT410由上式
47、可知，当满足式411时，出射光强I为零，即为该波长下的消光角所对应的偏振方向，也就是起偏器的旋转角度。2222COS1ARCCOS2COSSINSSPTNNNTT41142实验结果及分析实验同样使用图24所示的氯酸钠晶体，已知氯酸钠晶体的BREWSTER角为3344，相应的入射角1I为5656。将氯酸钠晶与偏振片组成的滤波器置于如图42所示的的实验测试装置，从HENE激光器发出的红光和从半导体激光器出射的绿光经半透半反镜调节而会合成同一束光，依次透过格兰棱镜、菲涅尔棱体，起偏器，最后以5656的入射角入射氯酸钠晶体（参见图41），由光纤光谱仪读取从氯酸钠晶体内反射后的透射光光谱图，起偏器每旋转
48、5，采集相应的红光和绿光的光强值，绘制出图43所示的出射光强随入射线偏振光偏振方向和波长变化的三维数据图。图42实验装置示意图1HENE激光器；8氯酸钠晶体；2半透半反镜；9PC终端；3半导体激光器；4格兰棱镜；5菲涅尔棱体；6由步进电机带动的起偏器；7光纤光谱仪；1150055060065001002003000123456X104波长/NM/（）光强/AU05115225335445555X104图43不同偏振方向下出射光谱线三维图依据氯酸钠晶体实际尺寸，计算得到路程L为3669MM，故红光和绿光的旋光角度分别为9926和14231。另外由式24、25求得以5656的入射角入射晶体时的S光和P光的透射率分别为0607和066，将其带入式411推得对于线偏振光的不同偏振角度所对应的光强变化，即式412和413。204806COS04037SINGREENI412200977COS06518SINREDI413用式412和413所作的归一化图线表示绿光和红光的最终出射光的相对光强大小，而后和实际测量值所描绘的归一化图线作比较（图44）。表明所测得的绿光和红光的相对光强与入射光偏振方向的变化与理论预期很好的吻合，同时还表明，绿光和红光的出射光强可随起偏器偏振方向的变化而被连续的调制，即可作为一种强度可调的连续的二值信号输出，所以亦可
