论文修改稿

复合波片的特性研究复合波片的特性研究摘要基于偏振光矢量的琼斯矩阵理论,具体用Jones矢量研究了线偏振光直射1/2波片、1/4波片和复合1/4波片下后的状态，进而详细分析了复合波片的特性。计算结果表明，当线偏振光垂直入射到半波片透射光仍为线偏振光。当线偏振光通过1/4波片，其偏振方向与波片快（慢）轴一致时，出射光为线偏振光；偏振方向与波片快（慢）轴成4角时，出射光为圆偏振光；偏振方向与波片快（慢）轴成其他任意角时，出射光为椭圆偏振光。当线偏光入射复合1/4波片系统，=29.4°、119.4°时,出射为线偏振光；当线偏振光以=74.4°、164.4入射时,出射光为圆偏振光。计算过程显示Jones矢量处理偏振光学的复杂问题更为便捷。关键词：Jones矩阵；1/2波片；1/4波片；双1/4波片；偏振状态复合波片的特性研究THECHARACTERISTICSOFCOMPOSITEWAVEPLATEABSTRACTBasedonthetheoryofpolarizedvectorJonesmatrixes,specificJonesvectorresearchwithalinepolarizedlightpoint-blank1/2waveplate,1/4waveplateandcomposite1/4waveplate,andthenunderthestateafterdetailedanalysisofthecharacteristicsofcompositewaveplate.Thecalculationresultsshowthat,whenthelinepolarizedperpendicularincidenttohalfwaveplatetransmittedlightforlinepolarizedlightstill.Whenthelinebypolarizedlight,1/4waveplatewithitspolarizationwaveplatequickly(slowly)axisconsistent,ashootthelightlinepolarizedlight;Polarizationdirectionandwaveplatequickly(slowly)shaftintothe4,outputopticalanglesforcircularlypolarizedlight;Polarizationdirectionandwaveplatequickly(slowly)axisintootherarbitraryAngle,theoutputlightforellipticpolarizedlight.Whenthelinepolarizingincidentcomposite1/4waveplatesystem,=29.4°,119.4°,theoutputforlinepolarizedlight;Whenthelinewithpolarizedlight=74.4°,164.4incidentoutputoptical,forcircularlypolarizedlight.Jonesvectorcalculationprocessindicatesthatthecomplexproblemhandlingpolarizationopticsismoreconvenient.Keywords:Jonesmatrix;1/2waveplate;1/4waveplate;Double1/4waveplate;Polarizationstate复合波片的特性研究目录1引言……………………………………………………………………………………11.1课题背景及目的…………………………………………………………………11.2国内外研究状况…………………………………………………………………11.3课题研究方法……………………………………………………………………21.4论文构成及研究内容……………………………………………………………22用琼斯矩阵分析光的偏振状态………………………………………………………22.1光矢量沿X轴方向的平面偏振光的琼斯矢量…………………………………32.2椭圆和圆偏光的琼斯矢量………………………………………………………43用Jones矢量研究偏振光通过1/2波片和1/4波片后偏振态的变化……………53.1偏振器件的琼斯矩阵……………………………………………………………53.2线偏振光通过1/2波片的偏振态变化…………………………………………63.3线偏振光通过1/4波片的偏振态变化…………………………………………64用Jones矢量研究偏振光通过复合1/4波片后偏振态的变化…………………104.1复合波片的偏振态特性分析…………………………………………………104.2复合1/4波片的工作特性分析…………………………………………………12复合波片的特性研究4.3光矢量的合成处理偏振光学和Jones矩阵处理的偏振光学方法对比……145结论…………………………………………………………………………………16参考文献…………………………………………………………………………………17致谢……………………………………………………………………………19复合波片的特性研究第1页，共19页1引言1.1课题背景及目的作为物理学的一个主要学科分支，光学的发展过程是人类认识客观世界进程中一个重要的组成部分，是不断揭露矛盾和克服矛盾、从不完全和不确切的认识逐步走向较完善和较确切的过程。它的不少规律和理论是直接从生产实践中总结出来的，也有相当多的发现来自于长期的系统的科学实验。光学的发展为生产技术提供了许多精密、快速、生动的实验手段和重要的理论依据，而生产技术的发展，又反过来不断向光学提出许多要求解决的新课题，并为进一步深入研究光学准备了物质条件。光学的研究内容十分广泛，包括光的发射、传播和接收等规律，也包括光和其他物质的相互作用，比如光的吸收、散射和色散等等。光学的发展大致经历了萌芽时期、几何光学时期、波动光学时期、量子光学时期和现代光学时期，涌现了一批又一批优秀的科学家，研究出了许多划时代的成果。在波动光学时期，科学家们在进一步的研究中，观察到了光的偏振的现象。1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。从此，光的偏振现象进入的科学家们的视线。1941年,琼斯引入一个矢量表示式,用两个正交分量构成的列矩阵表示一个平面矢量,该表示式称为琼斯矢量。这种表示式可以很方便的描述相干光波的偏振态。本文的主要目的就是用Jones矢量研究偏振光通过1/2波片、1/4波片和复合1/4波片后偏振态的变化。1.2国内外研究状况光偏振技术的出现，大大促进了纤通信、光大气通信、光盘存储、光全息技术、光弹技术、光散射技术、激光加工技术、光调制技术以及光传感技术等技术的发展，更是很好的解决了这些技术中涉及到光偏振的问题，例如：在晶体中如何处理多参复合波片的特性研究第2页，共19页量同时作用下的偏振光传输问题；晶体中线偏振光和圆偏振光、自然旋光和磁旋光的分离问题；如何处理淡漠光纤中圆偏振光和线偏振光的去耦合；如何处理光纤器件中偏振传输、控制和检测；如何处理光散射的偏振、以及高速光通信中偏振模色散的检测和补偿等等一系列有关偏振的传输、分离、检测、控制和补偿问题。光的偏振特性在光学技术及科学实验研究中应用十分广泛。光在介质如偏振器件中传播时其偏振态常常发生变化，且随着偏光器件的不同及偏振器件相对入射光电矢量位置的不同，光偏振态改变的结果不同。因此对不同偏振态的光通过偏振器件，特别是晶体波片后偏振态的变化研究就很有必要。光偏振技术就是利用光通过晶体可以改变入射光波的入射光波的振幅和相位差的特点，从而改变光波的偏振态。在光偏振技术中关键部件就是偏振片和波片，其中波片就是一种常用的可改变光波的偏振态的光学器件。但在光学的学习过程并未深入详细的研究过波片的特性。在进入毕业论文期间，我通过阅读相关书籍和文献和进一步的学习研究，对波片的相关知识有了新的理解和认识。通常用云母制做的1/4波片和1/2波片具有使用方便、价格便宜的特点,但要把云母劈裂成具有严格正确的厚度是比较困难的,所以对复合波片的研究就具有现实意义。1.3课题研究方法光在介质如偏振器件中传播时其偏振态常常发生变化,且随着偏光器件的不同及偏振器件相对入射光电矢量位置的不同,光偏振态改变的结果也就不同。在如今，偏振光的状态通常可用三角函数表示和复数表示,也有用矩阵表示法、四元素表示法等。其中，矩阵表示法在光学中的发展很快。各种对光的偏振态作线性转换的器件都可以用一个2*2矩阵表示,称为偏振器件的Jones矩阵。Jones矩阵方法能够简单明了的表示偏振光的状态，利用这种方法可以方便地研究光波经偏振器件后偏振态的变化。首先，我利用Jones矩阵分析了各种光的偏振状态，之后我用Jones矩阵来表示线偏振光通过1/2波片、1/4波片和复合1/4波片前后的偏振态，从而得出线偏振光通过波片后偏振态的变化，并在最后做出总结。1.4论文构成及研究内容本篇论文的主要内容由五大部分组成。第二章主要是用Jones矩阵分析各种光的偏振状态。第三章则是用Jones矢量研究偏振光通过1/2波片和1/4波片后偏振态的变复合波片的特性研究第3页，共19页化。第四章是用Jones矢量研究偏振光通过复合1/4波片后偏振态的变化。第五章就是把之前的内容进行总结，得出结论。2用琼斯矩阵分析光的偏振状态各种不同偏振态的偏振光表达式可写成椭圆偏振光的形式，现假设椭圆偏振光沿Z轴传播则光矢量在x轴、y轴上的投影可写成xitixxyitiyyeeEEeeEE（1）复振幅为xixxyiyyeEEeEE~（2）椭圆偏振光可用光矢量的两个分量组成一列矩阵来表示即琼斯矢量xixyiyxyeEeEEEE~经归一化可写成xixyiyeEeEyxEEE221（3）或1211E（4）复合波片的特性研究第4页，共19页式中xyEE,若为实数,表示是线偏振光;若为虚数,表示是椭圆偏振光。而平面偏振光、圆偏振光均可看成是椭圆偏振光的特殊情况。2.1光矢量沿X轴方向的平面偏振光的琼斯矢量光矢量沿X轴方向的平面偏振光的琼斯矢量为xixxyeEEE0归一化的琼斯矢量为1001xxixieExeEE略去公因子，光矢量沿水平方向平面偏振光的琼斯矢量为10E同理可得光矢量沿垂直方向平面偏振光的琼斯矢量为01E2.2右旋圆偏光的琼斯矢量右旋圆偏光的琼斯矢量为xexExExieyEyE~2~若0EEEyx，20222EEEyx，归一化的右旋圆偏振光琼斯矢量为复合波片的特性研究第5页，共19页020021EeEiixeEE121iixe略去公因子最后得121iE同理可得左旋圆偏振光的琼斯矢量为121iE,因此，其它各种偏振光的偏振态及相应的琼斯矢量可列成图（图1）。图1偏振态和Jones矢量Fig1polarizationstateandJonesvector复合波片的特性研究第6页，共19页3用Jones矢量研究1/2波片和1/4波片下线偏振光直射偏振光器件后的状态3.1偏振器件的琼斯矩阵偏振器件的特性可以用一个2×2的矩阵来描述，该矩阵称为偏振器的琼斯矩阵。设入射光的