矢量光束界面反射透射的自旋霍耳效应

矢量光束的一般表示方法是利用投影矩阵和广义琼斯矢量的乘积描述.投影矩阵存在一个自由度,该自由度与有限光束的场矢量偏振状态有关,由特定的单位矢量与波矢量间的方位角决定,可以定量地描述矢量光束的偏振状态.本文在矢量光束描述的理论基础上,通过对投影矩阵进行与反射光束与透射光束传播方向相应的坐标旋转,根据麦克斯韦方程组及其边界条件,计算讨论在各向同性介质界面上反射、透射矢量光束的表示形式以及其自旋霍尔效应表现出的横向位移.线偏振光(光子自旋量为σ＝0)横向位移为零,圆偏振光束(光子自旋量为σ＝±1)位移量最大且左圆偏振与右圆偏振光束的位移大小相等方向相反,进一步分析了左圆偏振光束在界面上的反射、透射光束的横向位移与入射角的关系.     

偏振和衍射双重效应影响的Schmidt棱镜特性

一束偏振光经过Schmidt棱镜的两个不同路径,成为两个不同的偏振状态,使得出射光束的偏振态呈现非均匀分布.为了探索偏振态非均匀分布对Schmidt棱镜传光质量的影响机理,将两个路径对应的光波函数引入屋脊衍射积分方程,得到了偏振效应影响的屋脊衍射场强分布.场强分布的数字计算表明:在偏振效应和衍射效应的双重影响下,经Schmidt棱镜出射的光场分布出现了严重变形;对应同一入射线偏振光出现的P、S两分量位相差的差异,使得P、S分量的屋脊衍射光强分布IP、IS有很大差异,这种差异在入射线偏振光方位角为0°和90°时达到最大;而合光波的衍射光强IP+IS是分裂为有一定空间间距的多峰分布,但多峰分布随入射线偏振光方位角的变化比较小.实验拍摄了He-Ne激光经Schmidt棱镜衍射后出射光强分布图.实验结果和理论分析一致性表明:Schmidt棱镜中的偏振效应和屋脊衍射效应导致了一束入射线偏振光分裂为有一定空间间距的多峰光束,严重破坏了Schmidt棱镜的传光特性.     

偏振和衍射双重效应影响的Schmidt棱镜特性

一束偏振光经过Schmidt棱镜的两个不同路径,成为两个不同的偏振状态,使得出射光束的偏振态呈现非均匀分布.为了探索偏振态非均匀分布对Schmidt棱镜传光质量的影响机理,将两个路径对应的光波函数引入屋脊衍射积分方程,得到了偏振效应影响的屋脊衍射场强分布.场强分布的数字计算表明:在偏振效应和衍射效应的双重影响下,经Schmidt棱镜出射的光场分布出现了严重变形;对应同一入射线偏振光出现的P、S两分量位相差的差异,使得P、S分量的屋脊衍射光强分布I_P、I_S有很大差异,这种差异在入射线偏振光方位角为0°和90°时达到最大;而合光波的衍射光强I_P+I_S是分裂为有一定空间间距的多峰分布,但多峰分布随入射线偏振光方位角的变化比较小.实验拍摄了He-Ne激光经Schmidt棱镜衍射后出射光强分布图.实验结果和理论分析一致性表明:Schmidt棱镜中的偏振效应和屋脊衍射效应导致了一束入射线偏振光分裂为有一定空间间距的多峰光束,严重破坏了Schmidt棱镜的传光特性.     

投影光学系统中的偏振像差分析

当光束斜入射时,光学薄膜存在一定的偏振效应。在飞利浦棱镜系统中,当一定大小孔径角的照明光束斜入射到分色合色薄膜后,S偏振分量和P偏振分量存在一定的相位差,使得线偏振光变成椭圆偏振光。利用琼斯矩阵偏振光线追迹的方法,分析了投影光学系统中由于两偏振分量相位差引起的偏振像差,以及它与暗态泄漏光强和系统衬比度的关系。得出了系统出瞳面上的光波偏振特性,以及在不同大小孔径角的照明光束入射下偏振像差的变化。分析了膜厚监控误差对光学系统偏振像差的影响,发现膜厚监控误差对偏振像差和系统衬比度有很大的影响。所使用的分析方法可以应用于其他大口径光学系统。     

部分偏振光通过透镜时的偏振像差分析

本文定量推导了轴上物点发出的部分偏振光通过透镜时其偏振度、偏振分量方位角和椭率角与透镜参数和入射光参量间的关系。对已知参数的透镜进行了定量计算，表明处于一定偏振状态的部分偏振光经透镜后其偏振度、偏振分量方位角和椭率角在出射光束截面上呈一定分布，产生偏振像差。给出了部分偏振光基本参量变化的数量级。指出在高精度光学测量中为避免透镜偏振像差影响，应尽可能减小光束半径和发散角。     

偏振光通过透镜的偏振状态分析

采用菲涅尔原理和琼斯矩阵理论,分析了偏振光经过透镜后偏振状态的变化规律,得到了任意入射偏振光通过单透镜后偏振状态的一般表达式,讨论了偏振光通过共焦双透镜后的偏振分布.分析结果表明对于单透镜,入射光偏振方向相对于入射面±45°时有最大的偏转量;入射偏振光在共焦双透镜作用下的偏振方向偏转量是单透镜时的2倍.     

基于Metasurface的柱矢量光束的产生

本文提出了一种基于Metasurface产生任意柱矢量光束的方法.采用的Metasurface是在熔融石英上刻蚀空间变化的非周期光栅构成.非周期光栅会形成空变的有效双折射,从而对光场的偏振态空间分布进行调制.通过琼斯矩阵的方法分析得出这样的Metasurface可以将入射线偏振光转换为柱矢量光束,并且只需要改变入射线偏振光的偏振方向即可获得高阶庞加莱球赤道上任意一点的柱矢量光束.最后,用Metasurface搭建了一套简单、高效的柱矢量光束产生系统,实验结果与理论分析一致.     

Schmidt棱镜偏振像差对成像质量的影响EI北大核心CSCD

为了分析Schmidt棱镜偏振像差在自然光成像系统中对成像质量的影响,以线偏振光矢量衍射光强分布为基础,利用两种非相干叠加积分模型,获得了自然光通过Schmidt棱镜后完全相同的衍射光强分布关系。通过这个关系式分析得知,自然光经过屋脊棱镜的偏振像差表现为衍射光斑的对称分裂。对分裂导致的像面中心亮度比、分辨率以及所提出的像面变形度等像质评价参数进行了分析计算。结果表明,Schmidt棱镜的成像质量受到其偏振像差的影响严重。Jones矩阵因子B作为棱镜的结构特性参数,影响并决定棱镜的成像质量。B因子的大小就是Schmidt棱镜偏振像差的大小。理论分析及实验结果均表明,B=0为校正Schmidt棱镜偏振像差的一个条件。     

非傍轴矢量径向偏振光束的圆孔衍射分析

本刊讯光束的矢量特性在光学检测、显微镜技术、光存储、光通讯以及激光加工等领域的作用已经进行了广泛的研究。然而这些工作大部分仅限于空间均匀的偏振光束,例如线偏振、圆偏振和椭圆偏振。2001年Gori基于琼斯矢量提出了一类非均匀偏振光束,圆柱偏振光束是其中一种特殊的非均匀偏振结构,径向偏振与角向偏振是圆柱偏振的两个本征偏振态。径向偏振光束具有轴对称的电场矢量结构和中空的环状强度分布,它经高数值孔径透镜聚焦后能够产生强度更大的电场纵向分量。     

偏振表象和偏振表象变换理论以及应用

借用量子力学中的表象与表象变换概念，本文系统地提出了偏振光学中的偏振表象和偏振表象变换理论，可以加深对琼斯空间的琼斯矢量、琼斯矩阵描述偏振光和偏振光变换的理解，更加深刻认识其中的物理机理.本文还利用偏振表象和表象变换理论解读了光纤通信中的光纤偏振模色散和偏振相关损耗对传输的偏振光的作用和影响.     

基于光的反射与折射定律的表述方法推导及应用

光的反射和光的折射是几何光学应用中最基本的方法。在现代精密光学元件加工过程中,其不同的表述方法可以为光线追迹、棱镜误差分析以及棱镜装调提供不同的解决思路。介绍了光的反射定律和折射定律的传统形式表述方法,并推导了光的反射定律和折射定律的矢量、矩阵及四元数3种表述方法。通过Matlab辅助下的模拟计算,得到施密特棱镜检验光路中2个不同区域入射光线的反射在水平方向上对称分布于前表面反射像两侧,与实际应用相符,实现了矢量、矩阵和四元数表述方法在施密特棱镜检验光路中的应用。3种表述方法可以为光线追迹、棱镜误差分析以及棱镜装调提供科学、实用的解决方法。     

折叠式角锥棱镜谐振腔的偏振特性理论与实验研究

建立了角锥棱镜的偏振模型,分析了角锥棱镜对入射线偏振光的偏振态的影响,分析表明角锥棱镜的单个入射区域存在特殊的偏振方向,该方向的线偏振光被角锥棱镜反射后仍然是线偏振光。利用角锥棱镜的该特性设计了腔内存在线偏振光振荡的角锥棱镜激光谐振腔,能够使用电光开关调Q,在振动环境中具有较好的抗失调稳定性。研制了激光器样机并进行了实验,在重复频率为10 Hz时,输出激光单脉冲能量大于300 mJ,光束质量因子β值在2左右,实验结果也表明角锥棱镜的棱和顶点并不影响输出激光的光束质量。     

胆甾相液晶电控螺旋畸变导致的布拉格反射特性

研究了平面织构胆甾相液晶在垂直于螺旋轴方向施加电场后,引起螺旋畸变导致布拉格反射光强度变化特性,利用液晶矩阵光学,琼斯矩阵法与Matlab矩阵计算软件对有螺旋畸变情况下的布拉格反射光谱特性进行了分析和数值计算.从数值计算和实验结果可知,胆甾相液晶在其垂直螺旋轴方向施加不同电压电场时,布拉格反射光中心波长不随电压改变,而布拉格反射光强会随电压的增大而减弱.提出一种电致螺旋畸变模型,对实验结果和数值计算结果给出了合理的解释,认为利用电场改变胆甾相液晶螺距进而设计电控颜色变化液晶器件的原理是不可靠的.     

直角棱镜棱脊倾斜对方位瞄准的影响

火箭制导系统中惯性器件的方位敏感轴方向通常是借助于直角棱镜来确定的,因而直角棱镜的棱脊倾斜对方位瞄准精度有影响.本文推导了直角棱镜的棱脊倾斜造成的反射光矢量的精确表达式,并在此基础上讨论了棱脊倾斜对线阵CCD测角的影响.     

Jones矩阵在偏振光实验中的应用

将Jones矩阵应用于偏振光实验研究,通过偏振光的Jones矢量表示和偏振器件的Jones矩阵,分析了偏振光通过偏振器件后偏振态的变化,准确方便地解释了偏振光实验中的实验现象。     

Use of Dirac matrices in polarization optics

Several matrix methods have been developed for studying polarization properties of light. Jones was the first to apply the matrix method to the study of polarization optics. In Jones matrix formalism the polarized wave field is represented by 2-element column matrix known as Jones Vector and the polarization device encountered by light is represented by a 2×2 matrix, known as the characteristic Jones matrix of the device. Mueller introduced a new matrix method where the wave field is represented by a 4-dimensional vector. The elements of the vector are the Stokes parameters of the beam. In Mueller matrix formalism the optical device is represented by a 4×4 real matrix known as ‘Mueller Matrix’ of the device. The use of coherency matrix also proves to the useful in the study of partially polarized light. Pauli spin matrices have been used to unify the different matrix treatments of polarization optical phenomena. The present article is an attempt to unify the analysis of polarization phenomena using Dirac matrices used by Dirac in quantum mechanics. We have however redefined the set of Dirac matrices in terms of the Kronecher product of Pauli spin matrices.     

Gradient matrix of optical path length for evaluating the effects of design variable changes in a prism

The effects of variable changes on the optical path length (OPL) of optical elements such as a prism are generally evaluated by utilizing a ray tracing approach to determine the OPL before and after the variable change, respectively, and then applying a finite difference (FD) method to estimate the OPL gradient with respect to each individual variable. By contrast, this study constructs the gradient matrix of OPL of a prism which permits the effects of multiple variable changes to be determined in a single pass. The developed approach not only resolves the error inherent in the FD method as a result of the denominator being far smaller than the numerator, but also avoids the requirement for multiple ray tracing operations and therefore yields a substantial improvement in the computational efficiency. The validity of the proposed approach is demonstrated utilizing a Pechan prism for illustration purposes.     

偏振光的χ矢量表示及应用

从Jones矢量的定义中引入了χ矢量,利用该矢量的定义给出了偏振光的χ矢量复平面表示,在该二维复平面上,确定了各个点与偏振光的态势相对应的关系.同时证明了与Jones矢阵的本征态有关的几个重要的结论:任何光学系统的Jones矩阵都有两个本征态;旋光介质的两个本征态是左旋和右旋圆偏振光;偏振器的本征态是两个正交的线偏振光;双折射介质的两个本征态是分别沿快、慢轴方向的线偏振光.     

静态偏振风成像干涉仪光传输特性和光通量改善

静态偏振风成像干涉仪利用偏振光束来获得干涉图, 光束在偏振元件中的传输特性成为分析研究的关键. Jones矩阵用于分析系统的光学传输特性和偏振态变化过程, 形式简洁,计算方便,容易得出光学元件对系统性能的影响.本文用Jones矩阵对静态偏振风成像干涉仪系统进行了描述, 推导出了适用于普遍情况的系统矩阵表达式,计算出核心偏振元件的偏振化方向和波片方位角对应于系统光通量和干涉调制度的关系,确定了系统中各偏振元件的最佳偏振化方向和波片的最佳方位角; 并通过视场展宽技术和提高四面角锥棱镜的透光率对光通量加以改善,利用光线追迹软件仿真, 对视场展宽前后的干涉强度作了对比,达到预期的效果.为静态偏振干涉成像光谱仪的设计、 研制和工程化提供重要理论和实践指导.