双通偏振干涉滤光片的研究_贺银波

评述与进展双偏振干涉测量技术在生物分析方面研究应用进展王娟1,2　杨秀荣311(电分析国家重点实验室,中国科学院长春应用化学研究所,长春130022)2(中国科学院研究生院,北京100039)摘　要　双偏振干涉测量(dual 2polarizati on interfer ometry,DP I )技术是2000年以后出现的一种灵敏、实时、无需标记的新型表面状态分析方法,它能够在亚秒尺度精确测量界面层厚度、密度和质量的绝对值。

所以,DP I 在固/液界面上蛋白质结构、功能表征,蛋白质之间或与其它分子间的相互作用研究,核酸固定化及杂交检测研究,模拟生物膜研究以及表面超微结构表征等方面都有着广泛的应用。

本文介绍了DP I 的测量原理和特点,着重评述了近年来DP I 在生物分析方面的应用进展。

关键词　双偏振极化干涉测量技术,蛋白质,脱氧核糖核酸,相互作用,评述　2007212203收稿;2008205225接受本文系国家自然科学基金(No .20475052)和中国科学院计划(No .KJCX2.Y W.H09)资助项目3E 2mail:xryang@ciac .jl .cn 1　引　言双偏振干涉测量(dual 2polarizati on interfer ometry,DP I )技术是2000年以后出现的一种新型表面分析方法。

它能够灵敏、实时高精度测量界面层厚度、密度和质量的绝对值。

DP I 主要应用于生物分子如蛋白质等结构研究,生物分子间相互作用研究,模拟生物膜研究和表面超微结构实时、灵敏的定量分析。

由于DP I 系统可以进行亚原子尺度的精确、实时测量,是深入揭示生物分子结构、功能关系,以及相互作用过程中分子结构变化的有力工具,被称为“分子显微镜”(molecular m icr oscopes );它的结构测量结果可以直接与NMR 、X 2ray 及中子反射等结构表征结果进行比较。

目前,英国、美国、瑞典等国家的十几个研究小组开展了有关DP I 技术的研究应用工作,在蛋白质结构、功能表征,生物分子相互作用、DNA 杂交及模拟生物膜研究等方面,已有近30篇文章发表。

第31卷第4期 光　子　学　报 Vol.31No.4　2002年4月 ACT A PH O TON IC A SIN ICA M ar ch2002　琼斯矩阵在偏振干涉滤光片设计中的应用研究贺银波　熊静懿　郑　伟　曾广杰　余飞鸿(浙江大学光电系现代光学仪器国家重点实验室,杭州,310027)Kw ok H S(香港科技大学显示技术研究中心,香港,九龙)摘　要　利用琼斯矩阵分析偏振干涉滤光片输出特性,并与给定的期望输出进行比较,可以快速准确地设计出偏振干涉滤光片的各个参量.本文着重利用琼斯矩阵分析了由第一块延迟片厚度为L、光轴与X轴夹角为45°、后面串接偶数个厚度为2L延迟片构成的新型偏振干涉滤光片的输出特性,并从中得出该偏振干涉滤光片的独特性质.关键词　琼斯矩阵;偏振干涉滤光片;输出反向传递法0　引言 偏振干涉滤光片可实现光学偏振分合色,可望广泛用于LCD投影仪光学引擎.通常,利用输出反向传递法来设计偏振干涉滤光片,即利用输出反向传递法来确定延迟片晶体的厚度,旋转角以及检偏器的夹角等,这些参量确定后,整个偏振干涉滤光片的结构就可以确定出来1,2.然而,传统的输出反向传递法计算过程过于复杂,特别在根据能量守恒定律C(k)C*(k)+D(k)D*(k)= I00计算与检偏器透光轴正交方向上的输出D(k)时,存在一定的技巧,如果处理不当,很可能出现无解情况.这里,C(k)为沿检偏器透光轴方向的期望输出,在设计初给定;D(k)为C(k)垂直方向光谱分量;I00为输入总能量,只要能保证D(k)D* (k)≥0,可以任意选择.对于某一给定的I00,可以求解出2(n+1-m/2)(n)为延迟片数目,m为求解中的复根数)个D(k),也就有2(n+1-m/2)组旋转角度与之对应1,然而由这些角度构成偏振干涉滤光片的输出却都是一样的.根据偏振干涉滤光片的性质,这些旋转角度中只有1/4组解是真正独立的,其余角度都是在此基础上派生出而来.这说明传统的输出反向传递法计算冗余度很大,过程非常繁琐.本文首次提出一种基于琼斯矩阵3,4的偏振干收稿日期:2001-06-25涉滤光片设计方法.首先将给定期望输出C(k),以指数形式进行展开.然后根据偏振干涉滤光片的物理结构,写出总琼斯矩阵.只要知道输入的琼斯矢量,就可以计算出偏振干涉滤光片的输出,而此输出在物理意义上应该等于给定的期望输出C(k).由于两者都是实系数的有限项指数级数,对应幂指数项的系数应该相等.可以组成有n个未知偏转角度的n个独立方程,求解出一组角度,这样偏振干涉滤光片的结构也就确定了.然后根据偏振干涉滤光片的性质,可以直接派生出另外的几组角度,而不需再另外进行计算.在此基础上,我们利用琼斯矩阵分析了一种非等厚度的新型偏振干涉滤光片,研究发现新型偏振干涉滤光片具有独特的输出性质.这种新型偏振干涉滤光片由第一块延迟片晶体的光轴与X轴夹角为45°,延迟为Γ,后面串接偶数个延迟片为2Γ的延迟片构成.1　偏振干涉滤光片设计的琼斯矩阵理论晶体的双折射现象是由于快轴和慢轴折射率不同,从而引起光的传播速度不同而形成的.当线偏振光通过单个单轴晶体时,为确定光在晶体中的传播过程,将光分解成沿晶体“快”轴与“慢”的光振动分量,由于快轴和慢轴上光的传播速度不同,两个振动分量以不同时间出射.两光振动出射的时间差为t o-t e=LΔZ/c(1)这里ΔZ为寻常光与非寻常光的折射率差n o-n e.L是晶体的厚度,c为真空中光速.我们知道,对于n块完全相同的单轴晶体串接而成的偏振干涉滤光片会产生n+1个延时间隔相同的输出,这里的完全相同是指晶体选用相同的村料并切成相同的厚度.设每一块延迟片厚度为L,则其相位延迟为Γ=2πΔZ L/λ(2)式中ΔZ=(n o-n e).为推导方便,在这里选取不同的坐标轴.入射光以起偏器的透光轴方向为X轴,以与透光轴正交的方向为Y轴.对于出射光,以检偏器透光轴方向为U轴,与检偏器透光轴正交的方向为v 轴.根据所确定的坐标系,入射线偏振光和出射线偏振光的琼斯矢量可以表示为E in=E xE y,Eout=E uE v任意一块延迟片的琼斯矩阵可表示为W i=R(-O i)W0R(O i)=e-i J cos O i-sin O i sinO i cos O i　·e-iΓ001cos O i sin O i-sin O i co s O i(3)其中平均绝对相位J变化为J=2-1(n o+n e)(k a/c)相位因子e-i J可以忽略,式(3)可以简写成W i=R(-O i)W0R(O i)=co s O i-sin O isin O i cos O ie-iг01cos O i sin O i-sin O i cos O i(4)根据琼斯矩阵的性质,当偏振光相继通过n个偏振器件时,总琼斯矩阵为后一个器件的琼斯矩阵左乘前一个器件的琼斯矩阵.由此,可以得到n块串接延迟片的总琼斯矩阵　ER=cos O n-sin O nsin O n cos O ne-iΓ001·cos O n sin O n-sin O n cos O ncos O n-1-sin O n-1sin O n-1cos O n-1·e-iΓ001cos O n-1sin O n-1-sin O n-1cos O n-1×…·co s O1-sin O1sin O1co s O1e-iΓ001·cos O1sin O1-sin O1cos O1(5)最后,在第一块延迟片前和最后一块延迟片后各放置一块偏振片,于是构成的偏振干涉滤光片总琼斯矢量关系式为E out=E p*E R*E pl*E in为研究方便,我们现在取起偏器后面,第一块晶体前面的琼斯矢量为E0=1,即只有沿起偏器透光轴X的入射光,且入射能量为 1.此时,式(6)可以改写为E out=E p E R*E0=E p R(O p)R(O n)W0R(O n)R(O n1)W0R(O n1)…×R(O2)W0R(O2)R(O1)W0R(O1)E0=P Op∏ni=1W i E0(7)将式(4)代入式(7),有E out=cos O p sin O p-sin O p cos O pcos O n-sin O nsin O n cos O n·e-iΓ001cos O n sin O n-sin O n co s O n·cos O n-1-sin O n-1sin O n-1cos O n-1e-iΓ001·co s O n-1sin O n-1-sin O n-1cos O n-1×…·cos O1-sin O1sin O1cos O1e-iΓ001·co s O1sin O1-sin O1cos O11(8)注意到R(O i)R(O j)=R(O i+O j),所以可以将上式进行变换E out=cos(O p-O n)sin(O p-O n)-sin(O p-O n)cos(O p-O n)e-iΓ001×co s(O n-O n-1)sin(O n-O n-1)-sin(O n-O n-1)cos(O n-O n-1)e-iΓ001×…×cos(O i-O i-1)sin(O i-O i-1)-sin(O i-O i-1)cos(O i-O i-1)·e-iΓ001×…×·cos(O2-O1)sin(O2-O1)-sin(O2-O1)co s(O2-O1) 508光　子　学　报 31卷·e -i Γ01co s O 1sinO 1-sin O 1cos O 110(9)为推导方便,令θ1=O 1θ2=O 2-O 1　θn =O n -O n -1θp =O p -O n式(9)可以改写为E out =cos θpsin θp-sin θp cosθp e -i Γ01　·co s θn sin θn -sin θn cos θn e -i Γ001　×…×co s θi sin θi-sin θi co s θi e -i Γ001　×…×co s θ2sin θ2-sin θ2cos θ2e-i Γ001co s θ1-sin θ1=cos θp e -i Γsin θp -sin θp e-i Γcos θp　·∏ni =2cos θi e-i Γsin θi-sin θi e -i Γcos θi co s θ1-sin θ1(10)E out 是一个2×1的矩阵,其中E out11=E u 为沿检偏器透光轴方向的输出,E out21=E v 为沿检偏器正交方向的输出.不难发现,E u 是含有n +1个旋转角度的n +1项指数级数,这也正是偏振干涉滤光片的输出.在偏振干涉滤光片的设计之初,首先要给定期望输出C (k ),将其以指数形式展开,截取其前n +1项,得C (k )=C 0+C 1e-i a k+C 2e-i2a k+…+C n e-i na k=∑nk =0CKe-i ka k(11)式中,k 是空间角频率;a 是输出序列的时间间隔,在数值上等于脉冲通过单个单轴晶体的快慢轴时间差t o -t e .因为a =t o -t e =L ΔZ /c ;k =2πf =2πc /λ,所以可以推导出k a =(2πc /λ)*(ΔZ L /c )=2πΔZ L /λ=Γ由此可知,k a 和Γ数值是完全一样的,因此,式(11)可以改写为C (k )=C 0+C 1e -i Γ+C 2e -i2Γ+…+C n e-i n Γ=∑nk =0CKe-i k Γ(12)要使设计的偏振干涉滤光片达到设计的要求,从物理意义上看,就必须满足条件E u =C (k ),E v =D (k )(13)式(13)中,等式左右的表达式都为实系数的有限项级数序列,所以对应的指数项系数应该相等.这样就可以得到n +1个独立的方程.其中θ1,θ2,θ3…θn ,θp ,为待求的n +1个旋转角度,可以求解出一组角度,偏振干涉滤光片的物理结构也就可以确定出来了.对于相同的输出还有以下几种组合:-θ1,-θ2,-θ3…-θn ,-θp ;θp ,θn ,θn -1…θ2,θ1;-θp ,-θn ,-θn -1…-θ2,-θ1.从上面的推导过程可以看出,利用琼斯矩阵法从正向对偏振干涉滤光片的输出特性进行分析,然后和期望输出进行对比,省去了从C (k )计算D (k )的复杂过程,而且物理过程变得更为清晰.2　新型结构偏振干涉滤光片的研究对于等厚度延迟片构成的偏振干涉滤光片,有n +1个在时域等间隔的脉冲输出.如果两块相邻的延迟片与X 轴夹角相等,也就是这两块延迟片相对偏转角度为0°,那么就会产生2Γ延迟,这和一块厚度为2L 的延迟片在物理意义上是完全等价的1.在此,我们讨论这样一种偏振干涉滤光片,其第一块延迟片厚度为L ,与X 轴(起偏器方向)的夹角为45°,后面串接偶数个厚度为2L 的延迟片,角度任意.我们称这种结构的偏振干涉滤光片为新型结构偏振干涉滤光,图1给出了这种偏振干涉滤光片的空间结构.现在,利用琼斯矩阵对其输出进行分析.图1　新型偏振干涉滤光片Fig .1　Fra me of new type pola riza tio n inte rfer ence filter 假设该偏振干涉滤光片由n +1块材料相同的延迟片构成,第一片延迟片厚度为L ,以45°放置,后面串接n (n =2m )个厚度为2L 的延迟片,角度任意(待求).根据结构特性,这种新型偏振干涉滤光片中延迟片的总琼斯矩阵可以写成5094期 贺银波等.琼斯矩阵在偏振干涉滤光片设计中的应用研究 H =R (θp )W 0(2a )R (θn )W 0(2a )R (θn -1)×…×W 0(2a )R (θ2)W 0(a )R (45°)(14)现在将两个偏振片和第一块45°延迟片从该系统中移开,就变成n 块厚度均为2L 的延迟片串接,这n 个琼斯矩阵之积是一个2×2的矩阵,其结果为2H 1=C ′(2k )e -i2na k D ′(-2k )-D ′(2k )e -i2n a k C ′(-2k )(15)式中,C ′(2k )和D ′(2k )分别是由n 块厚度为2L 延迟片构成的偏振干涉滤光片透光轴方向输出和与透光轴正交方向输出.我们再将第一块厚度为L 的延迟片以与X 轴成45°旋转角度摆放.这相当于第一块延迟片的琼斯矩阵H 0右乘H 1.H 0延迟片的琼斯矩阵为H 0=e-i k a01co s θ1sin θ1-sin θ1cos θ1,θ1=45°于是整个系统的琼斯矩阵H =H 1*H 0=12·C ′(2k )e -i2na kD ′(-2k )-D ′(2k )e -i2na k C ′(-2k )e -i a k -e -i a k11(16)将上式整理后得到n +1个延迟片堆的输出总琼斯矩阵 H =2-1/2C ′(2k )e-i a k +D ′(-2k )e -i2na k -e -i a k C ′(2k )+e -i2na k D ′(-2k )-D ′(2k )e -i a k +C ′(-2k )e -i2n a ke -i a k D ′(2k )+e -i2na k C ′(-2k )上式可重新写为H =A B CD(17)式中,A =2-1/2e -i a k C ′(2k )+e -i2na k D ′(-2k )(17a )B =2-1/2-e-i a kC ′(2k )+e-i2na kD ′(-2k )(17b)C =2-1/2-e -i a kD ′(2k )+e -i2na k C ′(-2k )(17c)D =2-1/2e -i a k D ′(2k )+e -i2na kC ′(-2k )(17d )H 就是由n +1块延迟片构成的总琼斯矩阵.其中A ,B ,C ,D 分别对应偏振干涉滤光片的C (k ),e-i na kD (-k),-D (k ),e i na k D (-k ),有2H =A B C D =C (k )e -i na kD (-k )-D (k )e -i na kC (-k )式中,C (k )是新型偏振干涉滤光片检偏器透光轴方向输出.D (k )是新型偏振干涉滤光片沿检偏器正交方向上输出.进一步展开式(17a )A =2-1/2[C ′0e -i a k +C ′1e -i3a k +C ′2e -i5a k+…+C ′0e-i(2n +1)k+D ′0e-i2na k+D ′1e-i(2n -2)a k+…+D ′n -1e -i2a k+D ′n ](18)重写上式,按e -i a k 的降幂排列可得A =2-1/2[D ′n +C ′0e-i a k+D ′n -1e-i2a k+C ′1e-i3a k+…+D ′1e-i(2n -2)a k+C ′n -1e-i(2n -1)a k+C ′n e -i(2n +1)k +D ′0e -i2na k ](18a )上式(18a )就是偏振干涉滤光片的输出,可以看成是由分裂的奇次项和偶次项组合而成.从中可以得到一个很重要的结论:奇次项是由厚度为2L 等厚度延迟片构成的偏振干涉滤光片沿检偏器透光轴正交方向上的输出D ′j 组成,偶数项是由厚度为2L 等厚度偏振干涉滤光片透光轴方向的输出C ′j 组成. 图2　偏振干涉滤光片各阶段输出的标注 Fig.2　Impulse py ramid fo r new ty pe o fpo la ri zatio n inter ference filter从图2中是不难理解的,第一块延迟片厚度为L ,与坐标轴方向成45°夹角.通过该双折射晶体后,入射的线偏振光将分解成沿快轴的输出F 10和偏振方向垂直且相对延迟为a 的脉冲序列S 11.然后,这两个输出又作为第二块延迟片的输入,由于后面的延迟片都是厚度为2L 的延迟片,所以在时域上引起的延迟也是a 的偶数倍.对于F 10,延迟偶数倍后,在时域上来看,就是在输出序列的偶数项上.同理,对于S 11,经过厚度为2L 延迟片后,输出序列就应该在输出脉冲的奇数项上,因为S 11在经过第一个延迟片的时候已经有了一个a 的时间延迟.因此,我们可以这样考虑新型偏振干涉滤光片,让相互正交的脉冲单独通过后面偶数个厚度为2L 的延迟片,分别记下它们的输出,然后将其中一个脉冲进行a 的时间延迟后相加,就可以得到该结构的真正的输出C (k ). 其中S 表示响应由平行于晶体的“慢”轴偏510光　子　学　报 31卷振光出射光,F表示响应由平行于晶体的“快”轴偏振光出射光,在图2,“快”轴“慢”轴出射偏振光分别由“实”、“虚”线表示.上标2表示输出自第二快晶体;下标则表示输出出射的时间.如在t= 0时出射的偏振光其下标用0表示;自第二块晶体出射的2个脉冲响应在t=a时刻出射,其下标用“1”表示;在t=2a出射,其下标用“2”表示,其余可以依此类推.注意到对2块双折射晶体串接的偏振干涉滤光片.对由如式(11)的期望输出C(k),根据该新型偏振干涉滤光片的性质和式(17a),可以很容易写出C′(2k)和D′(2k),然后根据相对角度的关系,就可以求出从第二块延迟片(第一块厚度为2L 的延迟片)到检偏器之间的相对偏转角度θ2,θ3…θp,这样整个偏振干涉滤光片的物理结构也就可以确定出来.通过以上的分析,可以看出这种类型的偏振干涉滤光片具有显著的优点:1)能用较少的延迟片达到理想的输出.例如,对于由2n+1块等厚度的延迟片组成的偏振干涉滤光片的输出,该系统用n+1块延迟片就可以实现.2)厚度为2L的延迟片相当于两块相对偏转角度为0°的延迟片叠加.因此,延迟片数目减少的同时,系统的对准误差也会大大减小.3)用琼斯矩阵法和期望输出相结合的思路,计算过程非常简单.只要给定期望输出C(k),可以直接写出相应的系数并计算出各个旋转角度.4)可以证明,这种新型的偏振干涉滤光片中,起偏器透光轴和检偏器透光轴之间严格平行或正交2.3　实例为了更清楚理解由琼斯矩阵推导出的新型偏振干涉滤光片特性,我们以一个实例予以说明.首先给定一矩形期望输出C(k)=-0.315559+0.546564e-i a k-0.280813e-i2a k-0.102209e-i3a k+0.0963742e-i4a k+0.0556416e-i5a k 上式有6项,通常,我们要用5块等厚度的延迟片才能实现.如果现在我们采用新型偏振干涉滤光片来实现,则只需要3块延迟片就可以达到满意的输出.第一片延迟片与X轴的夹角为45°,厚度为L,在后面串接两片厚度为2L的延迟片,它们的相对偏转角度分别为θ2,θ3,检偏器与第3块延迟片的相对偏转角度为θp.根据式(17a)就可以写出由等厚度2L的延迟片组成偏振干涉滤光片的两个输出C′(2k)和D′(2k).从中提取出每个系数,并计算出相应的C′j和D′j(i=0,1,2).C′0=2C1 D′2=2C0C′1=2C3 D′1=2C2C′2=2C5 D′0=2C4根据输出反向传递法中的公式1,计算出θptanθp=D′2/C′2,θp=-80°利用F n iS n i=sinθp-cosθpcosθp sinθpC iD i关系,求解出最后一块延迟片晶体的输出F20F21F22=-0.784880.21131,S20S21S22=0.36600.45315tanθ3=-(F21/S22),θ3=-25°.根据关系式求解出第二块延迟片的输出F10F11=1(F21)2+(S22)21/2F20S21F21S22S22-F21 =-0.86602S10S11=1(F21)2+(S22)212F20S21F21S22F21S22 =0.5,tanθ2=-(F10/S11),θ2=60°.至此,偏振干涉滤光片的整个旋转角度就确定了,分别为θ1=45°;θ2=60°;θ3=-25°;θp=-80°;至此,新型偏振干涉滤光片中的各个旋转角度就全部确定了.可以看出,这种设计方法只需要进行两次计算,略去了输出反向传递法中最繁琐的一步,从而大大简化了计算的过程.图3给出了由3块延迟片构成的新型偏振干涉滤光片光谱特性,可以看出其性能完全可以与5块等厚度的延迟构成的偏振干涉滤光片媲美.5114期 贺银波等.琼斯矩阵在偏振干涉滤光片设计中的应用研究 图3　新型偏振干涉滤波器光谱特性Fig.3　Pro file of new type po la rization inter ference filter4　总结利用琼斯矩阵和期望输出相结合的方法设计偏振干涉滤光片,不仅能简化设计过程,还能使偏振光在该系统中的物理过程更为清晰.通过利用琼斯矩阵对新型偏振干涉滤光片输出的分析发现,这种偏振干涉滤光片的输出由等厚度延迟片的两个正交输出线性组成,从而可以直接计算出各个旋转角度,并由此得出这种滤光片的许多优点.参考文献1　Ha rris S E,Ammann E O,Chang I C.O ptical netw o rk synthesis using bir efring ent cry stals.I.sy nthesis o f lo ssless netw o rk o f equal -le ng th cry sta ls .J o urnal o f the O ptica l So ciety o f America ,1964,54(10):1267～12792　Amma nn E O .O ptica l netw o rk synthesis using bir efring ent cry sta ls .Ⅲ.some g eneral pro pe rties o f lo sslessbirefringent netw o rks.Jour nal o f th e Optical Socie ty o f Ame rica,1966,56(7):943～9513　Sha rp G D ,Birg e J R.Retarder stack t echnolog y fo r co lo r ma nipulatio n.SID Sy mpo sium,1999:1072(1)～1072(4)4　亚里夫,叶伯琦著,于荣金,金锋译.晶体中的光波:激光的传播与控制.北京:科学出版社,1991:101～129APPLICATION OF JONES MATRIX IN THEDESIG N OF POLARIZATIO N INTERFERENCE FILTERHe Yinbo ,Xio ng Jingyi,Zheng W ei,Zeng Guang jie,Yu Feiho ngState Key Lab oratory of Modern Optical Instrumentation ,Optical Engineering Department ,Zhejiang Univ ersity ,Hangzhou ,P R China ,310027Kw ok H SCenter for Display Research ,the Hong Kong University of Science of Technology ,Hong K ongReceiv ed date :2001-06-25Abstract　The angle o f each retarder can be fig ured out easily by compariso n betw een o utput of Jo nes Matrix and desired response .The new type polarization interference filter ,w hich co nsists o f a retarder o f L leng th and π/4-o riented,then fo llow ed by ev en number o f retarders of 2L leng th,is studied em pha tically a nd special cha racteristic of this PIF is obtained.KeyWords Jo nes Ma trix ;Po la rizatio n interference filter ;Optica l feedbackoutputHe Yinbo Receiv ed his B achelo r 's Deg ree in Energ y Engineering Department,Zhejiang Univ ersity in 1999,then he beco me a Ph.D deg ree student in Optical Engineering Depar tment in 2001.His main interests are optical testing ,optical pro jectio n display a nd liquid crystal display .512光　子　学　报 31卷。

光学实验中的偏振与干涉技术应用光学实验是研究光的性质和传播规律的重要手段之一，其中偏振与干涉技术是应用较广泛的实验方法之一。

偏振与干涉技术的应用范围涉及光学成像、光学通信、光学测量等多个领域，具有重要的理论与技术意义。

首先，偏振技术在光学成像中的应用是一大亮点。

利用偏振片对光进行偏振处理可以消除背景干扰，提高图像的对比度和清晰度。

其原理是通过选择性地允许某一方向的光通过，从而抑制其他方向上的光的传播。

这一技术在显微镜、摄影和液晶显示器等领域中得以广泛应用。

比如，偏振显微镜可以帮助研究人员观察材料的光学性质，进而揭示其内部结构和性能；偏振摄影可以根据物体反射、透射或散射的光的偏振状态获得图像，以获取更多的信息。

其次，干涉技术在光学测量中具有重要地位。

光的干涉是指两束或多束光波相互作用后形成干涉图样的现象。

利用干涉技术可以进行高精度的测量，如测量物体的形状、薄膜的厚度、光学元件的折射率等。

由于干涉技术具有非接触、高分辨率、无损等优点，因此在工业领域和实验室研究中被广泛应用。

例如，激光干涉测量技术可以用于测量平面度、薄膜的表面粗糙度和波前失真，而自由空间干涉仪可以用于检测材料的相位变化和厚度变化。

此外，偏振与干涉技术在光学通信中也有着重要的应用。

偏振分束与重组技术可以实现光纤通信中的多路复用与解复用，从而提高信号的传输效率和容量。

同时，偏振保护技术可以提高光纤通信的抗干扰能力，提高信号的稳定性与可靠性。

干涉技术在光纤传感领域也有着广泛的应用。

例如，利用光纤干涉仪可以实现对光纤中的温度、压力和应变等参量的测量，具有很高的灵敏度和精度。

总结起来，光学实验中的偏振与干涉技术应用广泛且多样。

其应用范围涉及光学成像、光学测量和光学通信等领域，具有重要的理论与技术意义。

随着科技的不断发展，偏振与干涉技术在实验中的应用将会更加深入，为光学研究和应用提供更多的可能性。

DPI （Dual Polarization Interferometry ）双偏振极化干涉分析系统对界面分子间相互作用的实时测量应用DPI （Dual Polarization Interferometry ）双偏振极化干涉分析技术是自2002 年以后发展起来的用于对相互作用的分子之间的实时相互作用行为进行定性定量测量研究的工具。

通过对两相或者多相分子相互作用界面层的密度、厚度和表面浓度进行实时的、动态的定量测量来了解分子结构（如聚合物或表活剂分子）与界面相互作用（如吸附）行为之间的关系，DPI 技术广泛应用于下列研究领域：• 表面活性剂、聚合物、蛋白质等大分子之间或者大分子与小分子之间的相互作用研究• 界面科学、洗脱研究（界面物理化学）• 胶体表面化学中分子自组装及两亲分子有序组合体研究• 材料表面化学（如隐形眼镜、体内植入体等）• 分子折叠和构象变化研究• 纳米工程技术，纳米材料科学应用• 膜蛋白和脂的相互作用研究• 蛋白质与药物分子作用研究、药物筛选等等．．．．．．DPI 技术的基本原理如图一：由光源发出的光经过偏振转换成双偏振光，当一束双偏振光沿着光导（类似光纤的导光材料）前进时，双偏振光的部分能量会在光导界面处逐渐消失，产生渐逝波场，当光导界面处有被测样品分子出现或者被测样品分子与其它分子相互作用时便会造成渐逝波场的变化。

图一：光导界面处的渐逝波场变化DPI 双偏振极化干涉测量分析系统的基本原理见图二：当被测样品分子在传感光导芯片表面与其它分子产生界面相互作用时渐逝波场的变化产生成聚焦平面上的偏振光干涉信号的变化，依据Maxwell 方程得到实时的被测样品与其它分子间界面层的密度、厚度（分子直径或大小）、表面浓度（质量）的变化。

从而得到界面分子间相互作用的关系。

图二：DPI 基本原理DPI 是实时的定量测量技术，得到的数据信息反映的是实时的动态相互作用过程。

同时DPI 技术是高分辨的高灵敏度的检测手段，可以检测到的密度变化为0.1pg/mm2 及厚度的变化0.1? ，因此即使是单分子层之间的分子相互作用也能清晰地被测到。

一种新的Lyot型双折射调谐滤光片张剑;李国华【摘要】石英晶体波片的延迟量对入射倾角有很大的敏感性,利用波片的这一特性,从普通的Lyot型双折射滤光片的基本原理出发,设计了一种新的Loyt型双折射调谐滤光片.调谐的方法是使石英波片绕平行于光轴的轴向转动.理论和实验证明这一设计有较好的可调性,可调范围比较宽.比普通的加入λ/4波片和λ/2波片的Lyot 型双折射调谐滤光片简化了结构、降低了成本.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2005(029)006【总页数】3页(P639-640,648)【关键词】Lyot可调滤光片;透射比;延迟量;双折射【作者】张剑;李国华【作者单位】曲阜师范大学,激光研究所,曲阜,273165;曲阜师范大学,激光研究所,曲阜,273165【正文语种】中文【中图分类】O734引言Lyot型滤光片是法国物理学家LYOT为了天文研究的需要，特别是为了观察太阳的日珥和日冕而发明的单色双折射滤光片。

由于双折射滤光片可被设计成具有大视场角、窄通带、良好的抗光损伤能力等独特的光学特性的器件，因此，在许多领域仍有其它滤光片不可替代的作用。

Lyot滤光片是根据晶体的双折射效应和偏振光的干涉原理而设计的[1]。

对它调谐的方法有很多种[2]，可以用改变温度的方法，使滤光片中的每块晶片的厚度和双折射率发生变化，从而引起透射波长的变化；为了获得一个更宽的调谐范围，可以用两块楔形晶体代替滤光片中的每一块双折射晶体，当楔形板相对于另一块滑动时，晶体的厚度就发生变化，从而引起透射波长的变化；TITLE和ROSENGERG在Lyot滤光片中插入了λ/4波片和λ/2波片，从而使调谐变得简单可行了。

这些方法都是从Lyot滤光片的原理出发，达到对光的调谐，但是需要控制温度，或对晶体进行重新加工，或加入新的器件，且对于温控的方法可调谐的范围不大。

本文中同样从普通的Lyot型双折射滤光片的基本原理出发，利用波片延迟量对入射倾角的敏感性[3]，使波片绕平行于光轴的轴向转动，从而实现对光的调谐,简化了结构，降低了成本，具有调谐范围宽、调谐方便等优点。

科技论文的写作格式及要求科技论文写作具有一定的格式，主要包括：论文标题、作者工作单位、摘要、关键词、论文正文、参考文献等。

1、论文标题的写作要求——字数一般不超过20字2、作者及工作单位——各作者间以逗号隔开，不同单位的作者用上标表示出来。

3、摘要3.1 摘要的内容(1)研究本课题的前提、目的、任务、范围与重要性，研究对象的特征;(2)研究内容与所用原理、理论、手段和方法;(3)主要结果与成果的意义、实用价值和应用范围;(4)一般结论。

3.2 摘要的特点和要求摘要不用图、表、化学结构式、非公知公用的符号和术语，只用标准科学术语的命名，应用第三人称。

3.3 摘要的种类(1) 指示性摘要：指出论文论述了什么，即简述论文的内容，而不涉及研究方法、过程和讨论，作用是为了点题。

如介绍文章的性质，主要论点、探讨范围，研究对象、结果、结论等，通常不涉及论据、数据等实质性问题。

即只给读者一个指示性的概括了解，字数为100字内，主要用于综述，科研总结、数学论文等。

(2) 报道性的摘要：向读者介绍论文的论点、研究过程和实验结果而写的摘要，是原文最完整的浓缩，可以说是指示性摘要与定量资料的结合体，又称资料性或情报性摘要。

一般介绍：研究的背景、对象、目的、范围;所用的理论、原理、材料、方法、装置、研究过程和条件;所得结果、结论、数据、新的发明和发现、与过去理论相反的观点;其他如对结果的分析、评论，存在问题、今后研究的课题、建议等。

除概括论文主要论点、论据和结论外，还要列举关键性的数据、材料、步骤、方法，一般为200~300字。

(3) 报道-指示性摘要——介于指示性摘要和报道性摘要之间，字数为100~200字之间。

3.4 写作注意事项摘要不分段、尽量不摘图表、公式、方程式、不举例证、不讲经过、不与其他研究工作对比。

3.5 英文摘要的写作英文摘要包括：(1)研究目的;(2)研究方法;(3)研究结果;(4)结论。

英文摘要包括的内容：题目：首字母大写，其余小写作者姓名：遵守《中国人名汉语拼音字母拼写法》的规定书写。

实验偏振现象的观察与分析实验人：学号：实验时间：实验概述【实验目的及要求】1．观察光的偏振现象，加深对偏振光的理解．2．掌握产生和检验偏振光的原理和方法．3．观察光的旋光现象，学习用旋光仪测定糖溶液的浓度。

【仪器及用具】氦氖激光器，偏振片(或尼科耳棱镜)，半波片，1／4波片，硅光电池，灵敏电流计，减光板，玻璃片．【实验原理】能使自然光变成偏振光的装置或器件称为起偏器．用来检验偏振光的装置或器件称为检偏器．实际上，能产生偏振光的器件，同样可用作检偏器．1．平面偏振光的产生(1)由反射和折射产生偏振自然光在透明介质(如玻璃)上反射或折射时，其反射光和折射光为部分偏振光．当入射角为布儒斯特角(即：入射角满足，为透明介质折射率)时反射光接近于完全偏振光，其偏振面垂直于入射面．(2)由二向色性晶体的选择吸收产生偏振有些晶体(如电气右、人造偏振片)对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领，称为二向色性．当自然光通过二向色性晶体时，其中一部分的振动几乎被完全吸收，而另一部分的振动几乎没有损失，因此，透射光就成为平面偏振光．利用偏振片可以获得截面较宽的偏振光束，而且造价低廉，使用方便．但偏振片的缺点是有颜色，光透过率稍低．(3)由晶体双折射产生偏振当自然光入射于某些各向异性晶体时，在晶体内折射后分解为两束平面偏振光(o光、e光)，并以不同的速度在晶体内传播，可用某一方法使两束光分开，除去其中一束，剩余的一束就是平面偏振光．尼科耳(Nicol)棱镜是这类元件之一．它由两块经特殊切割的方解石晶体，用加拿大树胶粘合而成．偏振面平行于晶体的主截面的偏振光可以透过尼科耳棱镜，垂直于主截面的偏振光在胶层上发生全反射而被除掉．2．圆偏振光和椭圆偏振光的产生如图1所示，当振幅为A的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双折射晶片时，若振动方向与晶片光轴的夹角为，则在晶片表面上o光和e光的振幅分别为和，它们的位相相同．在晶片中，o光与e光传播方向相同，由于传播速度不同，经过厚度为d的晶片后，o光与e光之间将产生位相差：其中表示光在真空中的波长，和分别为晶体中o光与e光的折射率．图1(1)如果晶片的厚度使产生的位相差，这样的晶片称为1／4波片．平面偏振光通过1／4波片后，透射光一般是椭圆偏振光，当时，则为圆偏振光；当和时，椭圆偏振光退化为平面偏振光．换言之，1／4波片可将平面偏振光变成椭圆或圆偏振光，也可将椭圆与圆偏振光变成平面偏振光．(2)如果晶片的厚度使产生的位相差，这样的晶片称为半波片．若入射平面偏振光的振动面与半波片光轴的夹角为，则通过半波片后的光仍为平面偏振光，但其振动面相对入射光的振动面转过角．3．平面偏振光通过检偏器后光强的变化强度为的平面偏振光通过检偏器后的光强为其中为平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角，上述关系称为马吕斯(Malus)定律，它表示改变角可以改变透过检偏器的光强．当起偏器和检偏器的取向使得通过的光量最大时，称它们为平行(此时)．当两者的取向使得系统射出的光量最小时，称它们为正交(此时)．4．单色平面偏振光的干涉如图2(a)所示，一束自然光经起偏器(尼科耳棱镜或偏振片)N1后，变成振幅为A的平面偏振光，再通过晶片K射到检偏器N2上．图2(b)表示透过N2迎着光线观察到的振动情况，其中、及分别表示起偏器的主截面、检偏器的主截面和晶片的光轴在同一平面上的投影，和分别为N1、N2的主截面与晶片的光轴的夹角．从晶片透过的两平面偏振光的振幅分别为：它们的位相差为．穿过N2后，只存在振动平面平行于N2主截面的分量和，其大小为可见这两束光是同频率、不等振幅、振动平面在同一平面内的相干光．因此，透射光的光强(按双光束干涉的光强计算方法)为式中，它是从起偏器N1透射的平面偏振光的光强，从上式可以看出：(1) 当(或)或时，即透射光强只与N1、N2两主截面的交角的余弦平方成正比，和没有晶片时一样．(2) 当N1、N2正交时，，则如果晶片是半波片，则，当等于的奇数倍时，，即有光透过N2，发生相长干涉；当等于的偶数倍时，，无光透过，发生相消干涉．由此可见，当半波片旋转一周时，视场内将出现四次消光现象．(3) 当N1与N2平行时，，于是有可以看出，这时透过的光强恰与N1、N2正交时互补．实验内容【实验方案设计】（测量及调节方法）1．偏振片主截面的确定将一背面涂黑的玻璃片G立在铅直面内，激光器L射出的一细光束沿水平方向入射到玻璃片上，G的反射光为偏振面垂直于入射面的平面偏振光，使G的反射光垂直射人偏振片N，以反射光的方向为轴旋转偏振片N，从透过光强度的变化和反射光的偏振面，可以确定偏振片的主截面，即透过光强极大时偏振片的主截面和反射光的偏振面一致．并在偏振片上标记其主截面的方向．2．验证马吕斯定律使激光器L射出的光束，穿过起偏器N1和检偏器N2射到硅光电池Pc上，使N1、N2正交，记录灵敏电流计上的示值．将偏振器每转一角度(～)记录一次，直至转动为止．重复以上过程几次．3．考察半波片对偏振光的影响(1)调N1、N2为正交，在N1、N2间和N1平行放置半波片，以光线方向为轴将波片转，记录出现消光的次数和相对应于N2的位置(角度)．(2)使N1和N2正交，半波片的光轴和N1的主截面成(～)角，转N2使之再消光，记录N2位置．改变角，每次增加～，同上测量直至等于．4．椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检验实验装置同上，将半波片换成1／4波片．(1)使N1、N2正交，以光线方向为轴将波片转，记录观察到的现象．(2)使用起偏器N1和1／4波片产生椭圆偏振光，旋转检偏器N2观察光强的变化．记录波片光轴相对N1主截面的夹角，以及转动N2光强极大、极小时主截面与波片光轴的夹角．取不同值重复观测．(3)使用N1和1／4波片产生圆偏振光(应怎样安置1／4波片?)，旋转N2，进行观测并记录．(4)为了区分椭圆偏振光和部分偏振光、圆偏振光和自然光，要在检偏器前再加一个1／4波片去观测，注意1／4波片的放置．(5)设计一实验方案(原理和步骤)，说明如何应用一个1／4波片和一个检偏器，去判断椭圆偏振光的旋转方向．5．注意事项(1)应用光电池记录光强时，灵敏电流计应选用低内阻型．读数时，应注意扣除环境。

基于偏振双反射膜的5MHz频差He-Ne双频激光器
高赛;殷纯永;郭继华
【期刊名称】《计量学报》
【年(卷),期】2002(023)004
【摘要】提出了一种利用特殊多层反射膜-应力双反射膜制作的偏振双反射膜He-Ne双频激光器,这种膜对不同偏振光在垂直入射时反射系数相位跃变不同.利用横向Zeeman效应减小模式耦合,使激光器能够输出5 MHz频差的正交线偏振光.进行了横向磁场的方向及激光器的偏振特性的实验研究.采用热补偿法稳频后,与中国计量科学研究院的碘稳频激光器(波长扩展不确定度为2.5×10-11)进行了拍频比对,比对结果表明:激光器的频率稳定度为1.4×10-10(10 s采样),平均真空波长扩展不确定度为3×10-8(K=3).这种双频激光器结构简单,光束特性好,频差合适,适于制作高测速外差干涉仪.
【总页数】4页(P241-244)
【作者】高赛;殷纯永;郭继华
【作者单位】清华大学,北京,100084;清华大学,北京,100084;清华大学,北
京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TB92
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