光学器件性能参数对激光雷达探测气溶胶和云退偏比的影响

二向色镜及偏振分光棱镜作为常用的光学器件，近年来在大气探测偏振激光雷达中得到了广泛使用。但两种光学元件性能上的非理想特性与安装时存在的偏振误差夹角等问题在一定程度上会对大气探测后向散射光的退偏比造成影响。针对偏振激光雷达标定中通常只考虑偏振分光棱镜影响的问题，通过仿真模拟分别分析了二向色镜、偏振分光棱镜以及二者级联下对大气中气溶胶的退偏比影响，并给出了误差分析。以532 nm和1064 nm两种波长下的沙尘粒子与卷云的后向散射光作为输入进行模拟计算，结果显示，常用的长波通二向色镜对模拟输入光源在1064 nm透射通道下有7.111%的退偏比变化，在532 nm反射通道下有3.012%的退偏比变化。对偏振分光棱镜而言，输入为532 nm及1064 nm处探测的沙尘粒子退偏比会分别产生21.333%和27.3%的相对误差变化，532 nm处探测的卷云退偏比会产生14.2%的相对误差变化。两种光学元件在存在偏振误差夹角时均会带来额外的退偏比误差增量，在两种光学元件级联条件下，对模拟光源的退偏比也表现出累加性的误差增大。     

基于耦合波理论设计偏振分束光栅

亚波长周期结构光栅具有传统光栅所不具有的特殊性质。针对通信中常用的1.55μm光波,采用严格耦合波理论分析了亚波长光栅的偏振分光特性,设计了对应的偏振分束光栅。所设计的光栅在入射角为56°时,透射消光比和反射消光比都大于9000,且在1.27μm~1.67μm全光波段内,入射角在51°~57°之间时,透射消光比和反射消光比都大于100,达到了宽带宽、宽角度以及透射消光比和反射消光比都较高的要求。     

双反射膜双频He-Ne激光器双频特性及偏振特性的实验研究

本文对 5 MHz频差双反射膜双频 He- Ne激光器输出激光的双频特性及偏振特性进行了实验研究。研究结果表明 ,当磁场方向同反射膜的一个本征模方向基本重合时 ,有双频出现 ;当磁场方向同反射膜的一个本征模方向夹角在 45°左右时 ,无双频出现。输出激光的偏振方向由反射膜的本征模确定 ,其偏振非正交程度为 tgρ≤ 0 .0 0 87,椭圆化程度tgβ随激光管与磁场的相对角位置变化而发生变化。在合适的位置 ,tgβ可以小至 2 / 70 0。该种外差光源具有较好的偏振特性。     

近红外消偏振分光膜设计近红外消偏振分光膜设计

大角度倾斜入射时,光学薄膜表现出强烈的偏振效应。入射光S分量和P分量的反射率和透射率曲线,以及反射或透射引起的两个分量的相位变化都不再相同,彼此有一定的偏振分离。通过对产生偏振效应内在原因的分析,采用一个在近红外波段对于45倾斜入射光的S分量和P分量等效导纳非常接近的膜系结构,结合单纯形法优化算法,设计得到一个1 500～1 600 nm范围内反射率都是50％的近红外消偏振分光膜。结果显示,在45入射时,S分量和P分量的反射率曲线偏振分离小,反射和透射引起的相位变化也控制在很小范围。     

基于光谱线性拟合的宽波段光源波动补偿方法

宽波段光源在工作过程中,光强通常会随供电电源输出功率的变化而波动。宽波段光源波段内各个波长的光谱强度将会发生不同程度的波动。为解决光源光强波动时其波段内各个波长光谱强度的补偿问题,提出了一种基于光谱线性拟合的补偿方法。使用这种方法,只需测量光源波段光强的变化,就可以补偿各个波长光谱强度的波动。通过分析理想黑体全波段辐射出射度与光谱辐射出射度的近似线性关系。建立了宽波段光源波段光强与光谱强度的线性模型。实验装置主要由卤素灯珠、光源电源、光阑、光谱仪及计算机构成。调节电源的输出功率,得到一组卤素灯珠在不同输入功率下的相对光谱强度。测量不同功率下卤素灯珠光谱强度来验证该方法补偿效果。按线性关系拟合了卤素灯珠光谱强度与其波段光强关系式,并分析了拟合误差。实验表明：卤素灯珠的光谱强度与其波段光强具有很好的线性关系,可以用波段光强按线性关系来补偿其光谱强度的波动。随着卤素灯珠输入功率的增大,补偿后的光谱强度的相对误差绝对值下降。在卤素灯珠输入功率范围内,使用该方法补偿的光谱强度在绝大部分(92%)波长下相对误差绝对值可在5%以内。     

非偏振分光镜对外差干涉仪非线性误差的影响

除了激光源、偏振分光镜（PBS）和波片等偏振器件之外,非偏振分光镜（NPBS）也是外差干涉仪中重要的非线性误差源。研究了多层介质膜NPBS的退偏效应和方位角对非线性误差的影响。采用p、s分量透射比、反射比、反射相移和透射相移共同表征NPBS的退偏效应,并逐项分析了其非线性误差模型。如果入射光束为理想线偏振光,则只有NPBS的反射相移和透射相移影响测量精度。如果入射光束存在偏振椭圆化和非正交,则NPBS的方位角、透射比和反射比、相移等参数的变化都会引入非线性误差,误差曲线的斜率受椭圆率和非正交角的影响。因此选用不同的激光源,同一个NPBS产生的非线性误差大小不同,一般可达几个纳米量级。为了实现纳米/亚纳米级精度的外差干涉测量,选择性能稳定的NPBS,特别是NPBS退偏效应与激光源输出偏振态之间的匹配非常重要。     

偏振分光系统中相位延迟的计算与补偿

地平式折轴望远镜结构紧凑、使用方便，被用于人造激光信标系统。它不仅能实现共孔径发射和接收信标激光，还能进行目标的捕获、跟踪和瞄准。共孔径偏振分光系统利用发射和接收激光偏振态的不同来实现分光，其分光光路如图l所示。在此系统中，望远镜方位角和俯仰角的变化将直接引起激光偏振态的变化，从而造成偏振分光效率的严重退化。故偏振分光系统中相位延迟的计算与补偿是亟待研究的问题。     

激光导星共孔径发射接收的偏振分光效率研究

在地平式折轴望远镜上开展自适应光学瑞利激光导星实验,研究了信标光束同孔径发射和接收偏振分光技术。基于镜面膜层复振幅反射特性,采用琼斯矩阵描述方法,建立了偏振分光物理模型,研究了共孔径发射和接收偏振耦合分光的效率问题,并与实验结果进行了比较。结果表明,由于镜面膜层对s光和p光的相位延迟差异,系统偏振分光效率随着望远镜的方位角旋转会发生周期性的变化,同时也受望远镜天顶角变化的影响。在研究光路反射镜相位延迟对往返分光效率影响规律的基础上,提出了提高地平式折轴望远镜激光导星共孔径发射和接收偏振分光效率,消除受望远镜方位角和天顶角变化影响的技术途径。     

基于F-P腔和FBG的强度调制型光纤液位传感器

设计了一种用于液位测量的光纤F-P(Fabry-Perot)传感器,并从传感头的设计制作出发,讨论了提高传感器输出信号对比度的方法;测量系统采用宽带光源,解调时经FBG(Fiber Bragg Grating)反射和透射得到传感信号和参考信号,对两路光强信号进行联合处理,补偿了光源功率波动和光路损耗变化引起的不良影响,消除了强度调制型传感器的固有缺点,此方法具有结构简单、成本低的优点;该系统可进行连续测量,测量范围为0到200kPa,相当于测量水深0到20m,其分辨力小于1cm(水面高度变化),特别适合对易燃易爆的环境中的油库液位进行测量。     

近红外双波段消偏振分光膜的设计

大角度倾斜入射时,光学薄膜表现出强烈的偏振效应。这一现象在大部分应用场合会带来系统光学性能的劣变,然而控制偏振效应的光学薄膜设计是困难的。分析了产生偏振效应的内在原因,采用由三种全介质材料构成的四层膜堆和等效层结构膜堆组合得到初始膜系,结合单纯形法和共轭梯度法的多级优化,设计了1300～1330nm和1535～1565nm两个波段范围内分光比都为1∶1的近红外双波段消偏振分光膜。结果显示,在45°入射时,在两个工作波段的s分量和p分量的反射率曲线偏振分离小,反射和透射引起的相位变化也控制在很小范围。     

非共振条件下单壁碳纳米管拉曼散射强度的计算

利用非共振情况下的键极化模型理论，对单壁碳纳米管的拉曼光谱强度进行了研究.考察了碳纳米管结构、入射光和散射光的偏振方向以及管轴的取向对散射光强度的影响.计算结果表明，光的偏振方向对拉曼散射强度影响较大，而手性对拉曼光谱的影响较小.针对碳管样品的实际情况，给出了无规取向碳管的拉曼散射光谱. 关键词： 碳纳米管 拉曼散射 声子 键极化     

偶氮材料——乙基橙的光致双折射特性

将偶氮化合物乙基橙样品置于一对正交的偏振片之间，用一束激发光照射该样品，分别测量 在激发光的不同强度和不同偏振方向下探测光的透射功率，研究样品的双折射特性.实验表 明，透射光的饱和值和稳定值与激发光强成正比，且与激发光偏振方向有关，探测光与激发 光振动方向的夹角(θ)为45°时，其值最大；若θ不太小（>10°），sin²2θ 与透射光的饱和值、稳定值成线性关系.同时，利用巴俾涅补偿器对样品的双折射率差进 行了测量，分别得到了绿光激发前后的准确数值为1.11×10^-3和3.57×10 ^-3. 关键词： 偶氮 双折射 测量     

Polarization preservation in diffusive scattering from in vivo turbid biological media: effects of tissue optical absorption in the exact backscattering direction

There is considerable recent interest in using polarized light to investigate turbid biological media. Although tissue multiple scattering randomizes incident polarization states, there are circumstances when appreciable degree of polarization can be observed in diffusive scattering. In this study, we use polarization modulation and synchronous detection to examine in the exact backscattering direction the polarization properties of diffusely reflected visible light from hands of human volunteers of varying pigmentation levels. The surviving polarization fraction increases with increasing pigmentation, likely due to preferential loss of highly scattered, long-pathlength photons; this mechanism lowers the average pathlength traversed by the detected light and hence increases the measured polarization preservation. This behavior is contrasted with the overall diffuse reflectance intensity, whose magnitude decreases with increasing absorption. These experiments demonstrate the important influences of medium optical properties on the polarization characteristics of multiply scattered light, which must be further investigated to enable quantitative polarization evaluation of turbid media such as biological tissues.     

Bragg diffraction of light by ultrasonic shear waves in a plane-parallel layer

We have studied anisotropic Bragg diffraction of light by ultrasonic shear waves in an optically isotropic plane-parallel layer. We have established the analytical dependences of the relative intensities and polarization azimuths of reflected and transmitted diffracted waves on the intensity of the ultrasound, the layer thickness, the angle of incidence, and the polarization azimuth of the incident light. We show that rotation of the plane of polarization of the diffracted wave is determined by the different Fresnel reflection of the s and p polarized components of the incident light in the plane-parallel layer. We have determined that in mismatched acousto-optic structures, deep amplitude modulation of transmitted and reflected light is possible which is an order of magnitude greater than the usual modulation in matched structures.     

反射光偏振特性分析与物体形状的测量

基于反射光偏振特性,提出了利用图像处理技术测量透明物体三维形状的理论和方法.分析了物体表面反射光的偏振特性,表明自然光在经透明物体表面反射后,反射率随光的振动方向不同而不同,即反射光表现出部分偏振光的特性.研究了强度反射率与入射角以及光强与偏振片方向之间的函数关系,得到了光强大小与入射面方向的关系;根据偏振度概念并结合菲涅耳公式和折射定律,建立了偏振度和入射角之间的表达式,可求得物体表面法线方向,进而得到透明物体的形状.研制了光学实验平台,获得了物体反射光的偏振图像,经过图像处理,获得了被测物体的三维形状.实验结果表明,这种方法对透明物体形状测量是有效和实用的.     

Emergent intensity from a plane-parallel medium exposed to a Gaussian laser beam: A comparison of Rayleigh and isotropic scattering

The focus of this two-dimensional study is the radially varying intensity emergent from a plane-parallel scattering medium exposed to a collimated, Gaussian laser beam directed perpendicular to the upper surface. The method of analysis is the integral transform technique. Specifically, this work uses the generalized reflection and transmission functions from a previous study to construct the emergent intensity with the use of an inverse Hankel transform. Radially varying backscattered and transmitted intensities are calculated for media with isotropic and Rayleigh scattering phase functions and optical thicknesses that range from 0.125 to 8.0. The behavior of the emergent radiation inside and outside the beam is investigated for both narrow and wide beams. A new integration method is implemented to compute the emergent intensity at the beam center. The emergent intensity at the beam center is used to quantify when a one-dimensional model may be used. As expected, for small optical thicknesses and near the beam the phase function has significant influence, while far from the beam multiple scattering reduces the influence of the Rayleigh phase function. Results from this study will be useful in understanding and interpreting more complicated situations, such as those that include polarization.     

Comparison of three kinds of polarized Bessel vortex beams propagating through uniaxial anisotropic media

A comparison of differently polarized Bessel vortex beams propagating through a uniaxial anisotropic slab is discussed in terms of the vector wave function expansions.The magnitude profiles of electric field components, the transformation of polarization modes, and the distributions of orbital angular momentum(OAM) states of the reflected and transmitted beams for different incident angles are numerically simulated.The results indicate that the magnitude profiles of electric field components for different polarization modes are distinct from each other and have a great dependence on the incident angle,thus the transformation of polarization modes which reflects the change of energy can be affected largely.As compared to the x and circular polarization incidences, the reflected and transmitted beams for the radial polarization incidence suffer the fewest transformation of polarization modes, showing a better energy invariance.The distributions of OAM states of the reflected and transmitted beams for different polarization modes are diverse as well, and the derived OAM states of the transmitted beam for radial polarization present a focusing effect, concentrating on the state between two predominant OAM states.     

新型偏振风成像干涉仪中偏振化方向对调制度和干涉强度的影响研究

简要论述了新型偏振风成像干涉仪的原理;分析了偏振风成像干涉仪的各光学部件的偏振化方向对调制度和干涉强度的影响;给出了起偏器的偏振化方向、干涉仪两臂λ/4波片及出射位置处λ/4波片的光轴取向偏离理想方向时干涉仪调制度和干涉强度的理论表达式;采用计算机模拟分别给出了调制度随各偏角变化的曲面图及风速、温度反演误差随各偏角变化的曲线图;给出了温度精度为5K、风速精度为20m/s时偏振化方向的误差容限.该研究对新型偏振风成像干涉仪的研究、研制提供了一定的理论依据和实践指导,对高层大气光学被动探测以及空间探测、对地观测都具有科学意义和应用前景.     

Effects of laser intensity on the emission direction of fast electrons in laser-solid interactions

The dependence of emission direction of fast electrons on the laser intensity has been investigated. The experimental results show that, at nonrelativistic laser intensities, the emission of fast electrons is mainly in the polarization plane. With the increase of the laser intensity, fast electrons emit towards the laser propagation direction from laser polarization direction. At relativistic laser intensities, fast electrons move away from the laser polarization plane, closely to the reflection direction of the incident laser beam.     

涡旋光束在反射中的正交偏振特性研究

本文从角谱理论出发建立了涡旋光束在空气-玻璃界面反射时的傍轴传输模型, 并研究了反射过程中诱导产生的正交偏振效应. 当一水平偏振涡旋光束以不同角度入射时, 反射光束的正交偏振分量呈现出类似于一阶厄米-高斯模式的双峰强度分布, 而水平偏振分量强度分布呈现与入射光束相似的分布, 且只在布儒斯特角附近入射时才现出与正交偏振分量垂直的双峰分布. 对于任意线偏振入射光, 其正交偏振分量的偏振方向不再垂直于入射时的偏振方向, 而是与反射光束的中心波矢垂直, 此时正交偏振分量出现有趣的旋转特性, 其物理原因归结于任意线偏振光入射时所对应的水平与垂直偏振分量的反射系数不同. 最后进行了相关实验验证, 发现实验结果与理论分析符合得较好. 关键词： 正交偏振 涡旋光束 任意线偏振