主页 > 案例大全 > 论文相关方法-平面镜反射角对线偏振光相位变化的实验研究

论文相关方法-平面镜反射角对线偏振光相位变化的实验研究

2021-05-19 12:14:46

  在我国制造业领域中,精密测量技术作为一项专业的技术性科学,是属于不可或缺的一部分。其中,现代精密技术对于科学技术的提高起着决定性的因素,其发展趋势决定着我国制造业水平能否能否立足于各大领域中。在光学中,沿着固定方向振动的光称为平面偏振光,又因为,这种光矢量的运动轨迹是一条线,所以其名又为线偏振光。偏振光的状态又反映出物质的信息,反射中自身的属性又决定了他的状态。对于光学属性,光学相位隶属于其重要组成部分,是反射物质独有的性质,在精度测量中,相位信息会对其产生影响,所以相位信息对于高效处理相位之间的联系有着重要作用。而且通过反射相位的变化,可以有效获取不同角度的各种偏振态光。

  本文的主要目的是将反射界面由原来的转到平面镜再分析光线之间的相位偏差以及角度变化的内在联系。这片论文主要是在物理学的反射光线知识以及偏振的知识结构体系上验证反射光相位变化的关系,实践出真知,调整入射角,记录反射光的某些偏正方面的变化,得到我们想要的结果,与原理对照分析。

  毋庸置疑结论是明确的:调整入射角会影响相位,反射光相对与入射光会发生相位+π或-π的变化。

  相位的研究在光研究领域尤为重要。它的目的在于反映了微粒子的反射特性,调整一定的相位偏射角度,偏振态的光色可以清楚识别,而且也受到角度的影响。在科学技术快速发展中,不仅能反映光电本身的特性,而且能与国家经济和社会发展的重要生产力——传输技术相结合。为准确的测量和传送奠定了理论基础。根据测量原理和方法的不同,在精密测量技术中,测定技术可以分成两种范畴。第一,直接测量技术;第二,间接测量技术。非接触测定方法,顾名思义,就是不直接接触物体表面,减少对测定对象的损伤,减少误差,从而提高精确率,并通过此获得测试物体的相关信息,使用光电子或电子技术等方法来测量物体内外部结构包括内部及外部结构相关的部分数据,以达到最终目的。光电是精密测量和传输技术的重要课题。而作为光学相光学特性中不可获取的一部分—相位光学论。进行的各种高精尖的测试中,相位的信息调取的能力将影响整个实验,这是尤为重要的一个环节。

  本论文以反射光的反射角度与反射光的角度之间的关系作为实验的求证,使用平面镜子作为反射光的反射面。

  1.2国内外相关研究状况

  1.2.1三坐标测量机的发展情况

  CNC小型坐标测量机,由德国CarlZeiss公司最新研发,利用热不灵敏陶瓷技术,使坐标测量机的测量准确度不受温度改变影响,始终保持在17.8°到25.6°的范围内。此公司开发的坐标测量器软件为STRATA-UX,CMM读取信息的能力是通过软件系统的测量结果而定的,对于信息的分析处理也是恰到好处。是根据需要来评价的。根据此数据库,X-BAR&R及X_BAR&S图表、频度直观图、运营图表、对象图表等各种统计报告将自动生成。

  中国唯一的世界级坐标测量系统制造商——海克斯康测量技术(青岛)有限公司中。拥有多种类三坐标测量仪,但是技术上仍然对国外存在部分依赖,而以德日两国的技术制作的日本三丰高精度CNC三坐标测量机,作为FALCIO-Apex系列中的高端产品,其特点:

  一高测量精度、高运动速度。

  二全数字运动控制。

  三使用更高效的高强度气浮轴承来制作三轴导轨。

  机械、以及工具原型、大型机械的中,小配件等、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量是三坐标测量仪的主要应用领域主要,还可用于电子、赋胶等行业中,甚至我们熟悉的五金,通过对工件的尺寸、形状和形位公差所进行精密检测,达到零件检测、外形测量、过程控制等目的。

  1.2.2微/纳米级精密测量技术在国外的发展状况

  测量精度水平开始向微纳米级发展是20世纪末的重要科学突破。而纳米级加工技术可分为两个部分——加工精度和加工尺度,21世纪的最高精度微米级仅仅几年,便发展到如今的几个纳米数量级。以美国的NIST,英国的NPL和德国的PTB为首,在亚洲,以日本的NIMJ和韩国的KRISS微/纳米技术研究和探测物质结构的功能尺寸与分辨率等发达国家的计量院对基标准的研究是长久而持续不断的,并且进行很大投入,它已经达到了纳米级别的深度,人类对于自然界的认知又有了更深层次的进步,原子分子级别不在话下。超精密衍射光栅精度,如金刚石车床加工已可达1nm,实验室已经可以做出10nm以下的线、柱、槽等。得益于越来越先进的微米级或纳米级的测量技术与设备,微/纳米技术有了飞速发展。测量已经比较成熟的技术,对于精确测量的一些前沿性成果我们可以在对表面形貌的微纳米研究实验室中发现,HP5528双频激光干涉的研究系统设定、纳米级别精度的光学触针式轮廓扫描系统这些。近些年的一些高兴急速的研究和开发往往倾向于原子级别的操纵、管理与描隧道显微镜的发现分不开、扫描探针显微镜和原子力显微镜直接观测原子尺度结构的实现。

  1.2.3激光测距技术在各国发展进程

  1960年,柯丽达1型激光器——作为第一台全球首台激光器,来自北美的梅曼第一次提出的。1970年以来,先进的激光测量技术已经在各类研究中起作用。1971年,军方也开始接触到了这个技术并对其进行了一些发展,AN/GVS-3型红宝石激光测距系统就是在那时得到创新的。后来可想而知,军备竞赛的风气也让激光测距仪大显身手,它的发展迅猛,功能性更加全面。不仅是军方。美国还有俄罗斯的一些民营企业也对其进行了批量的生产销售,不同系列的产品接相出现,合作开展也越来越多样化,航空航天的研究还有轻工业制造也运用了它。时代的变更迭代,激光测距仪进行了两次的变迁,跃进了新三代。众晓,开始建立的激光测量系统是光电倍增管探测器和红外宝石激光器,这些机器的确定显而易见,太笨重,而且耗费的电力极大,二代的红外钕激光器和PIN光电二极管测距仪因运而生。与不同时期的一代产品比较,二代具有占地面积小,用电量低的显著特点,短时间内它的发展得到了延续。时间的推进,二代的缺点也是暴露无遗,精准度太差,没有良好的兼容能力。无法满足科技的发展,改革创新热潮这个时候兴起。接下来进入了新三代时期,这一类的激光测距仪是相对于前两代的激光测距仪最为完善的,克服了诸多缺点,在世界的公认度也是最高的,期间吸引了不少有前途的青年来研究并发展了它的实验。然后,以自己本身需要为标准,西方的国家又对某些方面进行了研究开发利用,这也就使得这项测距技术有一维升级到了二维对一定区域进行识别检测,这为三维研究的发展奠定了一个较好的基础,技术也越来越先进。

  2008年,迈赛这个全世界都小有名气的学者展示了他的LS30,这个研究对于190度死角处的监控领域有较大的帮助,这项技术等的先进性在于可以灵活控制自己想要监控的范围,避免不必要的资源浪费。然后,劳意斯在研究上又进一步发明了多个测距的循环系统,在产品的分辨率的改进上也有着低于30mm的优良精准度,PROFIBUS-DP还有红外的一些终端接口将会有着非常大的优势。围绕这项技术,不同场合下所需要的模拟环境不同,对应开发的测距系统也不单一,他得以广泛引用的原因是反应迅速和抗电磁干扰能力优良。

  上世纪70年代,在全球激光技术研发的热潮下我国也不甘人后,有了一些样板机。其中以来自北京的光学仪器厂还有苏州的光学仪器厂有了一定的研究成果,经纬仪得到了很大的发展就是由于气体激光技术在我国取得的进步。人无完人,他也存在着一定的缺陷,占地面积较大费空间,日常磨损十分严重,设计使用寿命只有365天,一年一次的更换速度是可预期的,应用于实际的情况下可以说是非常局限的。在望远镜中放入激光技术是一件很好的事情,有两种较为合理的模式。刚性形变应运而生的直接导入形式,这种形式优劣各占一半,其优点在于结构不复杂,做功损耗较低,缺点是占地面积极大,转移也不方便,在生产生活中还是不可取的,没有 万能元件这也就导致了需要经常充能,旋转的角度也有盲点,它是注定会被淘汰的。第二种模式是利用光传导的应用技术推广导入。优势相较于前者是解决了激光器发热运行时会产生的各种各样的副作用影响元器件,灵活移动的光速,没有设计完备的携带装置,还是有一个共同的不足之处时没有充能 万存元件,支撑的问题就显现出来了,又加上某些耗能极高的元器件,想要运用于具体生活中有点不现实。

  归结来讲,我国接触激光技术由于各种原因可能时间上不占优势,但是,江上代有人才出,学习与超越一直时中华名族的传统美德,有些方面的研究已经走在了世界的前列。举一个具体的例子1972年的JCY-1型精密气体激光测距仪器的设计成功,随后的一年,2型也问世,特别值得强调的是1996年我们国家通过学习西方经验总结本国研究发明了可以方便携带的半导体激光测距仪机,它的精度已经非常高了0.5m的上下误差。后面我们国家致力于将精度进一步细化,将体积进一步缩小,这就使得该行业的前景一片看好。时间来到1999年,影响测量时产生误差有多方面的原因搜寻出主要的因素时我国科学家的目标,经过分析比对,锁定了三个方面的因素:其一是对系统做出反应的时间,其二是,波动幅域范围的波动,其三是脉宽影响。清华大学的一些研究院于2005年分析激光测距机,构思方案,其目的是将误差率降至最低,精准度升至最高。TDC—GP1的问世是2007发生的事,这就完成了前者所构思的方案,这以微弱的优势,在市场认可度方面也是取得了不俗的成绩。从学习到反超是,2008年精准度进一步缩小到了5mm,其他国家没有能做到这一成就。

  1.3本文研究的主要内容和论文结构

  1.3.1主要内容

  根据入射角度的选取不同进行分析,物理领域的相位变化反应的信息变化反馈是本次的重点研究任务。这是一切实际测量的标准和基础。这些理论涵盖的范围是:其一是反射性质的偏振角度变化关系;其二是将光线变化下的影响和分析记录下来的能力;其三是做一些实质性的实验,可以得出的结论是反射光的相位变化的不同,入射角的选择安置;其四是巧妙利用实验册中记录的数据,对平面镜的入射角度的偏移,偏振特性曲线的变化情况,进行理性分析。

  第一步,通过学校图书馆的内网查询到与实验有关的参考书籍和资料,将入射角选择如何会影响偏振特性的关系解释清楚并且构思一个完善的研究方案,前期的准备工作必须做足做细,包括实验器材的选择,实验平台的选择,还有提前询问指导老师注意事项;第二步,将一些理论的资料研究透彻,如何确立一个合理有效的光源系统,怎样设置一个入射角,总结实验中的数据,对能影响到实验结果的因素心里有一个把握。第三步,以实验数据出发,线型偏振的幅度曲线的变化受入射角的影响。

  1.3.2论文结构

  第一章:绪论:这一部分的是讲这个课题有无涉及到国外的一些先进技术、测量技术的现在处于何种情况还有开篇主题介绍。

  第二章:反射光的相位及偏振态的分析。对什么是偏振现象还有偏振状态的转变进行分析,详尽地阐述了什么是相位信息地提取分析处理原则,也对菲涅尔公式进行了一系列地推到论证。这对于反射光的相位变化情况对于偏振态的不同射线进行了说明,偏振光的得到处理手段。

  第三章:实验方案设计。这是线偏振的采样的重要理论依据,偏振态显现的方式。实验所需要的器材还有实验的设计背景确立,构建一个完善的实验平台按步骤进行实验。

  第四章:实验研究平面镜不同反射角与相位之间关系。这一章节的变化情况是入射角不同而引起的反射光线的相位改变。

  第五章:结论与展望。

  1.4本章小结

  这一章节的主要目的是将国外的研究成果和国内的研究结合起来,对比分析,各个阶段的技术发展变迁,也是对本文的研究内容做一个引入的作用。

  2反射光的相位及偏振态的分析

  2.1偏振现象及偏振态简述

  2.1.1偏振的基本原理

  光源在通常的情况下会沿着各个方向进行散射,发射出光矢量,因此,其振动的幅度是一样的,从而称为自然光。光属于电磁波,而电磁波又被称之为横波,电磁波通过振动的方向以及传播的方向形成了一个平面,线偏振光光的形成就是因为光振动的平面没有改变方向所形成的,又被称为平面偏振光,如果某一个光振动强于其垂直方向的光振动,那么我们称为部分偏振光。偏振光的振动方向不会发生变化,形成此现象的原因是因为光矢量的不均匀分布,那么这种不对称性就叫做偏振。

  电磁波具有振动极特性,根据传达的方向和垂直的平面,不论朝哪个方向都能振动,一般光波电界振动的方向被视为光振动的方向。光的光线沿着同一方向振动,或者是更严格地完全偏振。一般来说,自然光向各个方向均匀的振动,是不偏振的。但是光滑的非金属表面在材料折射率相关的叫做布儒斯特角反射偏光。离开这个角度,不偏光就和偏光混合在一起了。我们把这部分光叫做偏振,部分偏振有一定程度,偏差角度越大,偏振就越小,最终导致非偏振。偏振光一共氛围两大类,第一类为均匀偏振光,它划分的依据是根据光的轨迹形成的形状决定的,像线偏振光,圆偏振光,椭圆偏振光等等,其中前两种是第三种的不同形态,而第二种和第三种有一个关联,就是其振动方向是两两垂直,它们两个的相位差始终是恒定的。第二类为非均匀偏振光,非均匀偏振光的偏振态相对而言还是比较独特的,例如径向偏振光,如其名字一样,因为其振动的方向成对称状。偏振光形成的方式有三种,第一种是通过偏光子的自然光,为了观察自然光,通过两个偏振片,第1个偏振片把自然光改变为偏光,并确认第2偏振片的来检测是否存在偏光。实际上,偏振片具有偏光方向的性质,只有与它方向平行地振动的光才能通过,会吸收掉其他方向振动的光。第二种方式则是是通过反射以及折射获取,这种方法要求入射面平行的光和入射面需要垂直亮光的比率,当平面镜等玻璃仪器的的光反射强度是为入射光的强度的7.5%,此是我们可以获得线偏振光;最后一种是通过自身特性获取,自身产生的双折射会分离出偏振光,这样分离出的偏振光有两种,一种是寻常光,一种是非寻常光。

  2.1.2光的偏振态简述

  在两波叠加前的分布方向决定着最终波的振动方向,叠加前一样,叠加后也是一样的,反之,叠加前不一样,叠加后也会发生相应的变化,例如,之前是垂直方向叠加,那么之后形成的形状将会变为椭圆。它是一种横向延展的波形,他所波动的范围也是有一定的限度的垂直相位的变化是它活动的领域,无法超过这个领域,这是光的偏振态一种通俗的解释。偏振态的类别有多种:其一是满幅域的偏振光;其二是不属于偏振光这个类别;其三是保留一部分偏振光的特质。满幅域偏振光又可以分为线偏振光系列,圆扁共存偏振光系列,椭圆形的偏振光系列。线偏振光在振动时,它的振动方向是固定不变的,可以在一个指定位置去观察其运动轨迹,这就可以清楚知道了它在平面中的呈现方式是一条平行于Y轴的直线段;如果存在光矢量的时间轴不做变化,空间位置特征变化,光矢量的方向我们在前面已经确立了,可以得知它所处的平面是以客观的人所处的为维度面,由传播方向和振动方向同时决定,构成振动平面。观察期间拉平后,圆偏光与自然光是同一种光,但原偏光的偏光方向会根据特定的规律随机改变,只是自然光的偏光方向没有规律地改变。圆形偏光矢量的光标如果时间向右变化,这种圆形偏光就叫做右旋圆偏光,反之,则称为左旋圆偏光。

  2.1.3偏振态提取相位信息的原理

  振动的方向性是与Y轴垂直的,平面上的两个波传到方向是一致的,一个位于X轴的振动,一个是将既定的Y轴作为延展方向,Z轴为信号传播方向。在保持有传统特征的前提下,为设定,那么此时的y与x对应偏振动关系的相位延迟角,通过分析可以列出X方向的矢量波函数和Y方向的矢量波函数:

  (2.1)

  如果是两个偏振动之和可表示为

  (2.2)

  在未进行合成的时候它们具备有各自的特性所以说方向等同,速度等同,在完成合并后,合成波的性质也不会改变。换句话说,横向特性相同的光波不会有其他的变化。如果E矢量和X轴的夹角用来表示,则计算公式如下:

  (2.3)

  将z设置为一个额定的值,对特殊情况优先分析,再对正常情况下的结论做出分析。除此之外,因为和(m=±1,±2,)具有差不多的效果,为了更进一步的表示,把限定在宽度区间内,该区间取(1)这时,如下式可化为

  (2.4)

  即表示为一般值,我们可以分析出一、三象限的空间中矢量E有它确立的位置,,图2.1表出该平面与XY平面的交线。这种光称为线偏振光,易见合成光波的振幅:

  (2.5)

  它的强度

  (2.6)

  式中、分别表示、两列波的强度。

  图2.1线偏振光的振动象限

  (2)δ=π

  此时式(2.3)化为

  (2.7)

  尽管,E矢量的振动面位于二、四象限图2.2(b)中,合成波的也是线性偏振的光波,其偏振与强度仍满足式(2.5)与式(2.6)。

  (3)

  这时式(2.3)的形式为

  (2.8)

  z是已经确立的值,是关于t的一次函数,合成的空间矢量角度的变化随时间的变化而变化。旋转方向也可以进行一系列研究,不妨取的平面,这时上式转化为

  (2.9)

  易知θ将随着t的增大而增大。当面向z轴负方向观察时,光矢量旋转方向是与顺时针相反的方向,这就是左旋的定义。光矢量不会因为Z值的改变而变换旋转方向。将δ=π/2带入式(2.1),很容易得到下列方程:

  (2.10)

  介质条件不变的情况下,光矢量的运动轨迹呈现的是一个大的椭圆形,椭圆的x半轴长我们借用了公式中的表示,椭圆的y半轴长我们借用了公式中的表示,运动的椭圆轨迹。将上面所说的情况进行整合得到了合成光可以将其归结为左旋系列的偏振光,这时由式2.9可以得到,我们可以知道矢量E就是围绕某一方向的旋转。偏振光是椭圆的一个性质,角速度会由于旋转进行一系列的转化,光矢量起到了决定性作用。

  (4)

  我们总结得到,经过旋转的光矢量是一个椭圆形的,这是站在Z轴上的结果,旋转的角度是与逆时针相反,方向与左旋相反,可以得到等式,我们将其称为圆偏光的右旋系列。

  (5)一般情况

  由式2.1经过一定的数学公式代换,可以有效的论证,的值不固定的情况下,时间轴发生一定的变化,运动轨迹曲线图中的E矢量也会有相应的变化,轨迹方程经过数形结合等效代换可以有以下公式表示:

  (2.11)

  可以很清楚,“斜椭圆”是对这个方程最好的阐释,物理研究的光学系理论也将其称为椭圆偏振光。这个斜向的椭圆变化为一条笔直的线段是由于某些变量退化的影响,正椭圆的概念是由经过半个周期的结果,与上述所说的概念相符。式子2.3显然可以研究矢量E的旋转方向的问题,论证得出:在或时椭圆是左旋的;在或时椭圆是右旋的。

  2.1.4相位差判断偏振态原理

  原理图如图一所示,当两束光通过分束又进行合成后,形成了一束椭圆偏振光,其轴和轴之间相互平行,并经过λ/4拨片,最终形成线偏振光,再次经过λ/2拨片后形成S光,重复该动作几次后最终实现光束合成。

  图2.2偏振光束合成原理

  任何正交方向上的相位差和振幅都可以表示椭圆偏振光的偏振态,建立好坐标系,如图2.2所示,轴和轴和两束光的振动方向相互平行,我们令两束光初始的振幅比为,那么在其与之间角度为和+Π/2时,两个方向的相位差产生了变化,为:

  (2.12)

  (2.13)

  (2.14)

  在坐标系中,合成光的主长轴的角度,光轴为λ/4时方向,表达式

  (2.15)

  决定,当波片的光轴方位角为

  (2.16)

  时,光是经过λ/2波片输出的,如果方位角为β+=Π/4,那么我们能得出结论,合成了S光。研究表明,和是根据观察方向上的强度来决定的。

  2.2菲涅尔公式

  菲涅尔公式在光学科学研究中具有重要作用,它能够诠释很多变化多样的光学事项,它能够准确的推到出波在不同层面中由于光学现象,如折反射,形成的振幅之间的关系,这些都源自于电磁场的临界值。

  图2.3所示,我们分别用、、、来表示折射光,入射光,和反射光的振幅,对应的平行入射面的分量和垂直入射面的分量分别表示为、、和、、,用、、来标明入射角度、反射角度、折射角度。

  图2.3菲涅尔公式示意图

  根据光的折射定律和反射定律,我们可以得到菲涅耳公式如下:

  (2.21)

  (2.22)

  (2.23)

  (2.24)

  此公式表示了光偏振在不同方向分量下的关系,其中最为明显的是振幅的变化,由振幅得出他们之间产生相位差的原因.如图2.4,当光束射于介质上时,会具有不同偏振态的表现形式,这是因为其性质不同而产生的影响,在我们本次实验中,介质一般为电介质或者金属介质等物质。

  图2.4线偏振光的震动方位角

  2.3偏振光入射方位角与介质反射率关系研究

  一列光波以不定角度射到一介质表面,这是率为n,振动方向产生的入射角度为,将振动方向进行分解,一个为水平方向,一个为垂直方向。两列波的振幅分别用,表示。在方向和方向分解为:

  (2.3.1)

  由光强公式可推断出能量占用率为:

  (2.3.2)

  因此,能量的损失率为:

  (2.3.3)

  (2.3.2)式、(2.3.3)式中,分别表示入射光强和反射光强。

  由(2.3.2)式得

  (2.3.4)

  (2.3.5)

  由(2.3.3)式得:

  (2.3.6)

  (2.3.7)

  (2.3.8)

  (2.3.4)(2.3.5)(2.3.6)(2.3.7)(2.3.8)这是两个角度的关系式。(2.3.8)式中,为反射率,代表的是水平和垂直方向的分量。

  二布氏角入射

  让实验在一个准确度较高的环境下进行,我们引入了关于反射特性与布氏角的偏射关系,进一步深化研究偏振方位在不同反射率下的变化。

  1方位角时

  均匀的一个实物经过平行阳光的照射,它的传播方向不变,振动方向于该平面垂直,折射光的方向和反射光方向平行,这是根据折射定律所得,所以反射光的方向是跟折射光垂直的,根据临界条件可知,反射光的反射率是零,所以并不真正存在。

  2方位角时

  同理我们可知,在特定的情况下我们发现偏振光在入射时,它的方向是垂直平面的,此时根据临界条件,折射光和反射光都具备条件,反射光在平行平面的振动为零,根据菲涅尔公式:

  (2.3.9)

  式中,为入射角跟折射角。由此得反射率:

  (2.3.10)

  得出一个结论,方位角时,反射率的值由折射率决定,与其他条件无关。如布氏角为56.3°,折射率为1.50时的玻璃片,反射的频率数值可以由此得到14.79%。

  3任意方位角时

  布儒斯特定律给出了解决方案,反射的偏振光线处于垂直界面的情况下,的值没有变化还是起点0。由于,根据(2.3.9)式得介质反射率为:

  (2.3.11)

  此式与由(2.3.8)式给出的结论是一致的。因该确认的是玻璃片的折射率达到了1.5的研究对象其反射的频率值是为0.1479sin2θ。

  图2.5

  2.4不同界面上线偏振光反射时的偏振态分析

  分析反射光的偏振态,当线偏振光以入射在某一介质时,根据菲涅尔公式我们可以知道,垂直和水平上的反射光分量跟入射光的相位发生偏差,偏差量为0°或180°,由于和的频率一样,没有产生相位差,所以和之间产生的位相差是0°,或180°,合成的依然是线偏光.令其入射光的振动方向角为,反射光的振动方向角为,

  由菲涅尔公式

  (2.4.1)

  通常,得出入射光和反射光的振动方向角不同.

  由式(2.4.1)可知,当时,,当时,也就是说光入射时,反射光不发生变化,光入射时,反射光还是不会发生变化.在这2种情况下,反射光的入射光的振动方向角和振动方位角一样.当其振动方向角不等于0°和90°时,反射光的的方向角也会随之发生变化,其振动所在平面相对于入射面产生了一个角度,由式(2.4.1)可知,产生的此角度不但和入射角有一定的联系,而且和入射光的方向角有关。

  2.5反射光的相位变化

  在诸多的反射研究光线中,反射光的偏振方向不可避免的会与入射光平行甚至重合分情况讨论,与这种情况不同的是的是,他们会有一定的相位偏差值。也可以称为附加相位。当他们的振动方向相同时,说明其附加的相位等于零,而得出相位为Π时,说明其方向相反,同理-Π亦是如此。分别具体说明:

  1折射光永无位移

  如(2.2.3)(2.2.5),由于和的取值范围不超过0°,-90°,和的变化范围分别不超过0°~180°和(0°~90°),即透射光永远与入射光同相。

  2反射光无相位变化

  1)外反射

  对S光,由(2.2.1)知<0,则、,实际振动方向与各自规定正方向的一致性相反,例如表示的振动方向和人射光中规定的方向一致,说明和反射光中的实际值相反,反之亦然。

  对p光,由式(2.2.2)知当<时,+<90°,>0,则、,与既定的方向一致是这个公式表现出的振荡特性,推理得到的方向也是异曲同工的作用效果,;当=时,+=90°,=0,无反射p光;当>,+>90°,<0,,,对于这种情况下讨论其方向性就与上述的研究范围相反。

  2)内反射

  对s光,当<。时,由式(2.2.1)知>0,、实际产生的振动方向和各自规定正方向是一样的。

  对p光,由(2.2.2)知<时,+<90°,则、,实际产生的振动方向和各自规定正方向是一样的,当=0,=0时,无反射p光,当<<时,>0,则、,实际振动方向与各自规定正方向的一致性相同。

  2.6本章小结

  此章节介绍和分析了,不同角度入射时,偏振光的偏振态的变化,还有解释了各种偏振光的相位之间的联系,为获取偏振态以及其产生原因提供了理论研究基础。

  3实验方案设计

  3.1实验原理

  在维持偏振态无变化的情况下,通过调整不同的入射角度进行偏振实验得到不同的衍射相位数据。这里所采用的器材是实验必须的包含:激光光源、平面镜、照度计及偏振片。实验原理图如下3.1所示。

  图3.1中1是激光光源,2是起偏器,3是平面镜,4是检偏器,5是照度计。

  3.2线偏振光获取方案选择

  (1)由特殊角度入射介质获取偏振光:在1812年布儒斯特发现,入射角度处于一个特殊的位置时,和入射平面垂直的一个方向会产生振动,这是因为我们反射时它的振动方向时固定的,而当平行去入射时,并不会产生振动,这个特殊的角度就是我们所说的布儒斯特角。此反射叫做线偏振光,该反射有一个影响,就是当入射的光束强度如果太大时,偏振度不会太大,两者成反比,因此我们通过这种方式可以让自然光经过一个叠加过的平行面,以特殊角度射入,最终来获取线偏振光。

  (2)我们可以通过改变某个参数值来改变它的偏振态,这是因为一个特殊的原因,光的偏振态时根据不同振幅和相位差产生的,所以我们改变振幅和相位差就可以来改变波的偏振态,那么晶体是一个非常好的选择,最后再用波片去获取。。

  (3)由线起偏器获得获取线偏振光:使用偏光板可以通过偏光板偏振自然光,在玻璃板上发光或利用复折射晶体的复折射获得偏光。当光线透过两种介质的边界时,当入射角适当时,反射的光线完全偏转成线性时,入射角就是起偏角。因为想要得到偏振光,我们要通过特定的相互作用来实现,这是因为普通光源达不到所需要的条件,所以通过光与特定物质相互作用来改变其偏振态,例如:折射,反射原理,光学特性中可以将其光束分为相互垂直的两束线偏振光,选择其中一束即可。

  根据实验性质的不同,测量的仪器无法达到100%的精准度,布儒斯特角测量是这个环节中一个考虑因素,非普通角度的研究与实际出入较大,这就为线起偏器的引入提供了理论依据。

  3实验仪器的选择

  测量系统的三个部分分别是:光源部分、光传输部分和数据采集部分。

  3.3.1光源部分的选取

  光源部分的研究尤为重要,它的构成是由两部分实现的一部分是激光光源一部分是起偏器。对于光源的选取我们有以下标准:其一是光源亮度必须够亮持续时间够长,方向灵敏度较高:其二是100%偏射光的出射选择。He-Ne激光器是作为光源研究的一个重要基础,它的优点显而易见相干性和一种颜色的特性非常合适,结构简单不复杂,耗用的能源极小。气体激光的优势也是能将介质均分,那就使得气体光束的研究变得十分符合我们的理想,指向认知程度较高。

  一般来说,由一种光源想要产生不同的偏振光是不现实的。激光器的实验环境下让这种设想变为了可能。这也引发了下面的问题,它是不纯粹的。结构多少会受到损害,对于我们想要研究的特性也会有影响。这里面首先要提出来说的便是布儒斯特窗口激光器,它将直接决定了我们的研究结果是否稳定。在晶体研究的领域我们可以发现一些新奇的特性:二向色特性或者双折射特性,偏振光的稳定性得到了很大程度的保证,数量供给上也是有不俗的表现。结论是增添一个起偏器是十分必要的事情。

  3.3.2光传输部分

  平面镜:作为中介部分的平面镜是整个试验成功与否的关键,这就对平面镜的表面整洁度提出了较高的要求,我们选取时应该注意。

  3.3.3数据采集部分

  (1)检偏器:检偏器即是偏振片。

  偏振片所起到作用是将我们所研究的入射光线的方向变化,变成最后的偏振光。它具有很好的隐蔽性还有精确的穿透能力。偏振片的种类繁多,有两种颜色光线特性,这是一些罕见的晶体所具有的性质,偏射的光线不同导致的方向不同也会影响它的特性。举例说明H-偏振片,这是科学家人为制造的,是一种带有丝状的化合物,经过碘的催化作用,硼酸水溶液变回了原来的状态,最后通过工具将它们拉长和拉宽,这是让其中的薄膜薄片充分与碘分子接触,达到我们想要的起偏甚至检查偏振的目的。

  这种偏振片的缺点是容易去偏。另外的还存在偏振片,自然形成的方解石构造而成。它的作用强大到可以强制转换光线的偏振性。具体例子是格兰的一位科学家汤姆生发明的一种棱镜。透光率和偏光纯度已经是在所有比较偏振片中占很大的优势,不会轻易退偏。这也就是实验选择汤姆生棱片的原因所在。

  (2)光照度计:在这个实验过程中光照度计功不可没,它的微小偏差就可能导致整个实验的成功与否。它的作用性不言而喻。

  3.4偏振态的测量方法

  偏振光的种类繁多大体分三类:一是非偏振光;二是完全偏振光;三是部分偏振光。每一个分类下面又可以精细分排,合计达到了七个品种类别。当垂直照入的光线经由偏振片到达其他位置时,已经对其按特征类别进行了归类,具体是可以细分为两个比较大的组别:一小部分的椭圆形的偏振光、正圆形的偏振光、自然形成的光,另外的四组就可以归入下一个组别。下面是对其分类方法的一个通俗阐述。

  我们首先用偏振片,如果说光的强度随之变化,那么该光则为线偏光,如果没有变化,通过调节后进行细致观察,如果说此时存在光强变化,那么该光为椭圆偏振光,当重复以上操作,发现并没有强弱变化,并且偏振片位置不变,那么该光为部分线偏振光,在另外的地方可能会存在光照强度达到最大的情况,这就是典型的部分椭圆偏振光。

  我们按照既定地计划开展实验,椭圆偏振光照射过来时,我们怎样对他进行判断,到底是左旋还是右旋,我们可以通过1/4拨片,先将偏振片放到最大光强位置,然后在放置玻片,此时光轴和光强方向平行,接着要确定光强变化的位置,通过调节偏振片的位置,我们研究的垂直关系是对偏振光偏振方向预测的唯一标准,观察其所在象限,1和3象限为左旋椭圆偏振光,如果时2,4象限,那么则为右旋椭圆偏振光。

  本实验只考虑为线偏振光情况。

  3.5搭建实验平台及实验步骤

  3.5.1搭建实验平台

  本次研究的前提时入射光的偏振态一定,通过改变入射角来测量出反射光的偏振态,最终得到相位信息。按照图3.1搭建完整的实验平台。

  实验注意事项:在一定要确保不要差生过多误差因素,带好专用手套,防止直接用手触碰表面,保持整个镜面的整洁度;在调节上下螺丝钉时,

  一定要轻慢。在拿去器材时避免触碰到其他物体,避免产生没有必要的经济损失,最后器材要摆放牢固。

  3.5.2实验步骤

  (1)光路调整及入射光的获取:

  将激光器发在指定的支架上,调节好高度,将M,L1,L2处于同一水平线,也就是说,让光束始终和实验平台平行,如图3.2所示。

  图3.2激光出射光束与光学平台平行,调整示意图

  (1)将它们安放在适当的位置,按照图3.1的示意进行安装起偏器的操作,偏振片的选择是关键,提前将偏振片安装在光束传播路径上。图3.2为光源部分装置图。

  (2)测量入射光的偏振态:偏振片安装好了之后将其围绕X轴旋转一定的角度,检测和记录光照的强度是否符合要求,准确记录下光线从出现到消失的时间,还有位置变化。

  (3)测量不同角度入射时反射光的偏振态:调整入射角度,放射的光路回线会有一条清晰的分线,这就是合适的偏振片嵌入位置,观察记录方法同(2)。

  3.6本章小结

  这一章节的目的是十分明确的就是将整个实验的重要内容详述包括器材如何正确挑选、注意事项、方案如何,让我们对于偏振测量方法的应用有了更深的理解也为后续实验打好了基础。

  4实验研究平面镜的反射角与相位关系

  4.1测量入射光的偏振态

  在光路传播路径的上面放置的偏振片顺时针旋转360度,这个事情发生的瞬间用读出光照计的数值反应光照强度,如果光照将会发生一些相应的变化,那么记录下光照变化情况,发现的结果是在偏振片的读数到达138度时光照强度为零。入射光的偏振特性呈现线性。

  4.2测量不同入射角度下的反射光的偏振态

  首先的一步是架设好实验平台,这就需要调整入射光线的角度来实现对于反射光偏振变化情况的研究,经过完整的实验操作,本次选取了10°、15°、30°、45°、60°、75°、85°等角度的入射光线角度的反馈出了的反射光偏振相位信息也已经记录在实验册上。

  (1)一边旋转的偏振片情况下,注意光照强度的变化情况并对其进行记录补充,于表5-1所示。

  (2)按照单一变量原则,进行重复试验。光源的偏振态情况是需要进行计量的,选取的光源还是不要超过一束最好,在最后一点时间光线消失时的偏振片读度数呈现的是134度,入射角依然是事先设定的角度,记录下偏振态反射光线的相位变化情况,光照强度的变化合理性和消失位置标记记录。

  单一边旋转偏振片时,测量光强并观察消光情况,记录数据于表5-2.

  表5-1单旋偏振片时光强值及消光情况

  入射角反射光的光强光强是否有变化是否有消光位置

  最小光强最大光强

  10 0 45是是

  15 0 48是是

  30 0 54是是

  45 0 57是是

  60 0 53是是

  75 0 49是是

  85 0 47是是

  消光位置偏振片读数线偏振光的振动象限反射光的偏振态相位差

  16二四线偏振光-~0

  27二四线偏振光-~0

  33二四线偏振光-~0

  167一三线偏振光0~

  153一三线偏振光0~

  148一三线偏振光0~

  142一三线偏振光0~

  表5-2二次测量单旋偏振片时光强值及消光情况

  入射角(°)反射光的光强光强是否有变化是否有消光位置

  最小光强最大光强

  10 0 46是是

  15 0 48是是

  30 0 53是是

  45 0 59是是

  60 0 53是是

  75 0 48是是

  85 0 46是是

  消光位置偏振片读数线偏振光的振动象限反射光的偏振态相位差

  15二四线偏振光-~0

  27二四线偏振光-~0

  34二四线偏振光-~0

  168一三线偏振光0~

  154一三线偏振光0~

  146一三线偏振光0~

  144一三线偏振光0~

  实验结果及分析:对于不同角度的入射光线对应情况不同,10°、15°、30°或多或少都会有反射光线突然脱离消失,线性特性尤为明显,根据入射光前后对比最典型的偏振特性也有了差别,当相位偏差控制在的一个局部领域内,光照强度不是一成不变的;45°、60°、75°、85°所显示的特性和上述有所不同,相同的是光会消失,也会根据情况变换出偏振光线,相位差这时被严格控制在,如果对比入射光的情况,偏振态的特征与以前相同,但是消失光的位置有了一定的迁移。我们可以推论出实验装置可以既定一样,时间的设立不同,入射角度保持一致,反射光的所有光强中没有相同的,特别是最大和最小光照强度,离开的位置不尽相同,偏振态都是保持本身的性质,当然实验中不可能100%严谨也存在偶然误差。

  4.3误差来源分析

  1.光源的稳定性:在测量中我们希望光源保持一个值没有一点变化。实验装置的限制我们只有将就它实验中可能产生的光强波动,激光器不能维持它自身的100%性能稳定性。

  2.激光器的偏振稳定性:激光的输出状态有多重其中以偏振态为准,稳定性有可能会大打折扣,禁止偏振波的上下摆动,输出形式上我们采用了克服波动的非偏振器。

  3.偏振器方位角的设置误差:角度有时会是整个实验的关键所在,尤其是在结合光照强度变化的基础上,一层一层的误差扩大,这个是需要我们手动调节的,人具有主观性也是有影响的,我们应当选择更加细化的高级偏振器,测量的精度也将提升几个档次。

  4.环境杂散光带来的误差:当弱信号产生时,环境会对齐产生较大影响,尤其是在测量临界值时,误差会明显增大,所以为了带来其他光的影响,我们最好在夜间进行测量,或者使用遮光罩,来消除光源影响。