轴对称偏振

摘要：随着偏振光技术的发展，其在生活中的应用也越来越广泛，该文通过对偏振光的分析，全面地介绍了偏振光的分类、产生方法及应用。

在偏振光产生的介绍中，分别介绍了线偏振光、椭圆偏振光、径向偏振光的产生方法，并利用电场矢量进行了具体分析。

最后介绍了偏振光在生活和研究中的应用。

关键字：光学；偏振光；双折射；应用；布儒斯特棱镜；振动The Production and the Application of Polarized LightZHU Zhao-yi,GUO Li-shuai(Electrical Engineering College,Longdong University,Qingyang 74500,Gansu)Abstract:With the development of the polarized light’s technology,it is used in the field more and more widely.Based on the analysis of the polarized light and comprehensively introduces the classification, the generation methods and application of polarized light. In the polarized light generated introduction, this paper introduces linearly polarized light, ellipse polarized light, radial polarized light generated methods, and uses electric field vector carryig on the concrete analysis. At last, the paper introduces the polarized light the application in life and studying.Key Words: optics;polarized light; the double refraction;application;brewster prism;vibration 1 引言光是一定波段范围的电磁波，是由于传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。

光波导模式偏振、耦合与对称
光波导模式是指光在波导中传播时所呈现的特定模式或特性。

光波导模式可以根据偏振、耦合和对称性来进行分类和描述。

首先，让我们来看偏振。

光波可以是横向电场分量振荡的方向来描述其偏振状态。

在光波导中，偏振可以影响光的传播方式和特性。

光波导模式的偏振可以是横向电场分量沿着波导的方向（TE模式）或者横向磁场分量沿着波导的方向（TM模式）。

偏振对于光波导器件的设计和性能具有重要影响，因此在研究光波导模式时，偏振是一个重要的考虑因素。

其次，耦合是光波导模式中的另一个重要概念。

光波在不同波导之间的传播可以通过耦合来描述。

耦合可以分为垂直耦合和水平耦合，取决于光波导的结构和波导之间的相互作用。

耦合还可以用来描述光波在波导之间传输时的损耗和传输效率，因此在光学器件设计和光通信系统中具有重要作用。

最后，对称性也是光波导模式中的一个重要方面。

波导的几何形状和材料特性决定了光波导模式的对称性。

对称性可以影响光波导模式的性质和特性，例如模式的分布、传播方式和传输效率。

因
此，在研究光波导模式时，对称性是需要考虑的重要因素。

总之，光波导模式的偏振、耦合和对称性是描述光在波导中传播特性的重要概念，它们在光学器件设计、光通信系统和光学研究中具有重要作用。

对这些概念的深入理解可以帮助我们更好地设计和优化光学器件，提高光通信系统的性能，推动光学领域的发展。

偏振光现象的观察和分析摘要本实验用半导体激光通过偏振片来产生线偏振光，使其分别通过1/4波片和1/2波片，通过测量不同方向上检偏器透过的光的强度，判断出出射光的偏振态。

并证实了线偏振光通过1/4波片可以产生线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光，通过1/2波片可以产生线偏正光，验证了马吕斯定律。

一、引言振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。

只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。

在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。

凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。

偏振光的典型应用是偏光式3D 技术，其普遍用于商业影院和其它高端应用。

二、实验原理1.偏振光的种类光是一种电磁波，由于电磁波对物质的作用主要是电场，故在光学中把电场强度E 称为光矢量。

在垂直于光波传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。

如果光在传播过程中，若光矢量保持在固定平面上振动，这种振动状态称为平面振动态，此平面就称为振动面。

图1 电矢量垂直于纸面的偏振光图2 电矢量平行于纸面振光【1】光的五种偏振态：①线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，②部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等。

③自然光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅相等。

④椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，若它们的频率相同并且有固定的位相差，则该点的合成振动的轨迹一般呈椭圆形。

⑤圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。

2.线偏振的产生（1）偏振片利用某些有机化合物的“二向色性”制成，当自然光透过这种偏振片后，光矢量垂直于偏振片方向的分量几乎完全被吸收，而平行方向的分量几乎完全通过，因此透射光基本上为线偏振光。

偏振现象的观察与分析➢引言1809年，法国工程师马吕斯在实验中发现了光的偏振现象。

对于光的偏振现象研究，使人们对光的传播（反射、折射、吸收和散射等）的规律有了新的认识。

特别是近年来利用光的偏振性所开发出来的各种偏振光元件、偏振光仪器和偏振光技术在现代科学技术中发挥了极其重要的作用，在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光和光电子学器件等应用中，都大量使用偏振技术。

本实验通过一系列的观察与测量，要求学生学习产生和鉴别各种偏振光并对其进行观察、分析和研究的方法，从而了解和掌握偏振片、1/4波片和1/2波片的作用和应用，加深对光的偏振的性质的认识。

➢实验原理1．偏振光的种类光是电磁波，它的电矢量E和磁矢量H相互垂直，且都垂直于光的传播方向。

通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量和光的传播方向所构成的平面称为光的振动面。

按光矢量的不同振动状态，可以把光分为五种偏振态：1)自然光：在与光传播方向垂直的平面内，包含一切可能方向的横振动，即光波的电矢量在任一方向上具有相同的振幅。

普通光源发光的是自然光。

2)线偏振光：在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。

3)部分偏振光：光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。

自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。

4)椭圆偏振光：在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。

5)圆偏振光：旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。

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。

2.线偏振光的产生1)反射和折射产生的偏振根据布儒斯特定律，当自然光以i b=arctan n的入射角从空气或真空入射至折射率为n的介质表面上时，其反射光为完全线偏振光，振动面垂直于入射面，而透射光为部分偏振光，i b称为布儒斯特角。

轴对称偏振光束的生成、特性及应用轴对称偏振光束是一种偏振态空间变化具有轴对称特性的偏振光束,对称轴为光束的传播轴。

因其独特的光学特性,该类型光束在光学成像、光学捕获、材料加工及表面等离子体激发等方面具有巨大的潜在应用价值。

论文针对目前的研究现状和不足,对轴对称偏振光束的生成方法、光学特性及潜在应用进行了研究。

基于亚波长金属光栅的偏振分束特性,提出了利用分块亚波长金属光栅在可见光波段内生成径向偏振光及高偏振级次偏振光束的方法。

基于傅里叶模态方法优化设计了亚波长金属光栅的结构,并由清华富士康纳米科技研究中心利用电子束直写技术和反应离子刻蚀技术制作了偏振级次分别为1、2、3和4的偏振光束转换器件。

分析了转换光束的相位分布,基于Stokes 方法测试了器件转换光束的强度及偏振分布,获得的径向偏振光的偏振纯度达到94.8%,偏振级次P=2、3、4的偏振光束的偏振纯度分别为90.4%、89.3%和84.7%,器件可应用于较宽波段,具有消色差特性。

基于矢量衍射理论,推导了轴对称偏振光束在自由空间聚焦场的数学表达式,数值分析了不同类型轴对称偏振光束聚焦场的强度、相位及偏振分布。

研究表明轴对称偏振光束高数值孔径的聚焦场具有很强的轴向分量,在焦平面附近可产生多个超分辨聚焦光斑,焦斑数量由光束偏振级次P决定,为2×(P 1);聚焦光场依然保持轴对称偏振分布。

基于共焦显微镜搭建了光学系统,对径向和切向偏振光的高数值孔径聚焦场进行了初步测试,实验结果与理论分析吻合。

研究了利用衍射光学元件实现轴对称偏振光束聚焦整形的基本方法,并针对某些特定需要,设计实现了平顶聚焦场、超小光斑及长焦深聚焦场及光链分布聚焦场,同时研究了径向偏振光实现衍射超分辨聚焦的衍射光学元件的优化设计方法。

初步研究了两种利用轴对称偏振光束进行光学捕获的方法,即利用高数值孔径聚焦的轴对称偏振光束在焦平面附近捕获多个粒子,以及利用高数值孔径聚焦的轴对称偏振光束激发表面等离子体波在金属表面捕获多个粒子。

轴对称偏振光束的产生与检测建设目的：偏振是光的主要特性，我们通常所说的自然光、部分偏振光、平面偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光是一种空间偏振均匀的偏振光束。

轴对称偏振光束（包括径向偏振光和角向偏振光）电场振动方向在光束横截面上具有轴对称性，光束的波振面呈漩涡状，且中心呈现奇异性。

轴对称偏振光束独特的光学特性使其在生物光镊、空间通信、高分辨率显微镜技术、电子加速以及激光加工等领域有着非常重要的应用。

轴对称偏振光束简介：轴对称偏振光束是一种特殊偏振态分布的矢量光束，其特点是偏振态在出之于波矢方向的横截面上分布暗组轴对称特性。

轴对称偏振光主要包括径向偏振光和角向偏振光，径向偏振光的偏振方向呈辐射状分布，角向偏振光为环绕状分布，如下图。

相对于传统单一偏振泰分布的光束，轴对称偏振光束呈现出很多不同的性质，其中最重要的特点是经过高数值孔径透镜聚焦后的场强分布。

轴对称偏振光束在表面等离子激发，激光光镊，光学加工等方面都有独特的应用。

轴对称偏振光束产生方法主要包括主动式和被动式两类，主动式为激光腔内谐振输出的光束即为所述光束，被动式指的是既有的普通激光光束通过一些转化装置变为轴对称光束。

本实验主要围绕被动方式进行。

实验原理：在讨论具体的实验之前我们进行一定的基础分析：θθfsE 0E 1一束线偏振光经过一个λ/2波片，偏振方向与波片的慢轴夹角为θ，透射后其偏振方向发生变化。

如图分析，入射光的快轴分量经过片相对提前了，出射光的偏振方向与慢轴夹角为-θ。

根据上述分析，就可以很好的理解本实验中所用的拼接半波片方法产生轴对称偏振光束的原理。

一块8片拼接波片装置，其慢轴方向标识如图，相邻的波片之间的慢轴夹角为22.5°，一束如图线偏光通过它之后变为径向偏振光。

注入激光光束：线偏光（红色箭头标识偏振方向）组合半波片装置（黑色箭头标识波片慢轴）输出激光光束：径向偏振光（红色箭头标识偏振方向）实验装置图如下， LASER CCDλ/2SpatialBlock polarizer L1L2L3L4激光器出射光束经过偏振片后变为线偏光（当然一般激光机器出射光束的偏振特性都比较好），经过两个焦距不同的共焦透镜将光束放大并准直，再经过中心不通光的玻璃板将中心光场滤除，形成环状光束以避免经过拼接半波片装置中心奇点，这样也便于光路的调整。

高级次轴对称偏振光束的聚焦特性及应用综述周哲海;祝连庆【摘要】High order axially symmetric polarized beams (ASPBs)have complex polarization distributions,and multi-ple very small focal spots can be obtained under the condition of high NA focusing.ASPBs can be used in many fields because of its focusing characteristics,such as microscopy,material processing and particle trapping,etc.The research results about focusing properties and applications of ASPBs in recent years are summarized.The basic concept of AS-PBs is introduced,and the mathematical expressions of focused fields are given based on vector diffraction theory.Finally,some typical applications of ASPBs in particle trapping and parallel microscopy are described in de-tails.%高级次轴对称偏振光束具有更为复杂的偏振分布，在高数值孔径聚焦情况下可获得多个超小聚焦光斑，这样的聚焦特性使其在显微成像、材料加工、粒子捕获等领域体现出一定的应用价值，引起了广泛关注。

综述了近年来关于高级次轴对称偏振光束的聚焦特性及主要应用的研究成果。

什么是径向偏振光？什么是⾓向偏振光？
问：什么是径向偏振光？什么是⾓向偏振光？定义是什么？
答：常见的偏振光有线偏振光、圆偏振光以及椭圆偏振光。

有两种特殊的偏振光具有轴对称偏振特性，这就是径向偏振光和⾓向偏振光。

对于这两种偏振态的定义为如果场中的每个点的电场⽮量相对⽮径⽅向的旋转⾓度为<, 则该点的电场强度⼀般表⽰为ˆE( r ,θ) = E0 ( r)〔ƒrcos< + ƒθsin <〕,其中r 为径向的单位⽮量,θ是⾓向(切向) 的单位⽮量,当< = 0时,表⽰径向偏振⽮量:当< ≠0 时,为⾓向偏振⽮量。

由于径向偏振光完美的轴对称分布,使得它与线偏振光和圆偏振光相⽐有着许多显著不同的特性。

⽐如径向偏振光具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环型光束结构; 只有横向的磁场和沿轴的纵向的电场;并且径向偏振光和⾓向偏振光都是偏振本征态,它们在C 切向晶体中传播时, 不会发⽣串扰; 径向偏振光在⾼数值孔径透镜聚焦时可以产⽣超越衍射极限的极⼩得焦点, ⽐线偏振光和圆偏振光的聚焦点⼩得多,⽽且焦点区域的纵向电场变得⾮常强。

问：径向偏振光与⾓向偏振光的主要应⽤是什么？
答：径向偏振光与⾓向偏振光的应⽤包括：引导和捕捉粒⼦、粒⼦加速、提⾼显微镜的分辨率、⾦属切割以及提⾼存储密度等。

基于少模光纤的轴对称偏振光束的产生轴对称偏振光束，不同于常规的均勻偏振光，其偏振态在光束横截面内呈对称分布，且光斑中心具有螺旋状的波前相位结构，被称为相位奇点，使得中心处的光强为零，形成类似于•甜甜圈”的光强分布。

因其独特的光学性质，此类光束在经高数值孔径透镜聚焦后，其焦点处光场会在光束轴向形成一个很强的电场分量，且焦点处光斑直径比空间偏振态均勻分布的光束（如线偏振光）的光斑直径要小。

近年来，轴对称偏振光束独特性质引起了研究者广泛的兴趣，也在诸多领域得到应用，例如捕捉和操纵金属粒子、材料加工、超分辨显微成像、提高存储密度等方面。

目前，实验上获得轴对称偏振光束的方法虽然很繁多，但通常可分为主动方式和被动方式两类。

前者主要将一些偏振选择性的光学元件，如双锥型棱镜、光子晶体光柵、双折射晶体放入激光谐振腔内，使激光束以特定的模式振蕩输出；后者则将高斯光通过一些偏振或相位转化器件直接获得目标光束，其转化器件包括组合半波片、少模光纤、空间相位调制器以及亚波长光柵。

其中，将激光耦合进光导纤维获得轴对称偏振光束的方式，因其操作简单，稳定性高以及成本低等特点吸引了越来越多科研人员的尖注。

在该方案中，通常选用少模光纤作为耦合介质，在其工作波长上光纤中可以传输少数横模，文中涉及的少模光纤包含线偏型的基模（HE22 ）和两阶模的四种简并模式（径向偏振TM01模式角向偏振TE01模式奇数混合偏振HEodd21 模式，偶数混合偏振HEeven21模式），对应的归一化频率范围为2.405<v>3.832。

</v>1实验设计本实验的主要实验设计部分如图1所示。

光源为线偏型的氨氛激光器，在其后放—个偏振分束器（PBS ）将入射光分成偏振态相互垂直的两束光，从偏振分束器透射的光束被一个数值孔径NA二0.25的显微透镜L1聚焦后耦合进一根长80 cm的光纤(康*好好)，其归一化频率在所选用激光器的632 nm波段下为3.496，因为少模光纽FMF ) 仅支持基模和二阶模的传输。