基于真实科研问题的“物理光学”教学改进探究——以“基于偏振干涉的多波长光纤激光器”为例

在新时代人才培养需求的指导下,文章分析了传统“物理光学”课程教学现状,研究将知识点与案例结合的项目式教学改进方法,以在研国家和北京市科研项目中凝练的“基于偏振干涉的多波长光纤激光器”这一真实科学问题为例,通过实物演示、模型建立和实验对比验证介绍科研方法和思路的同时,讲解偏振光产生、调节、琼斯矩阵和偏振干涉等内容,加强基础知识学习,培养学生灵活应用基础知识解决问题的工程实践能力和创新意识。

基于偏振干涉原理的偏振光产生和检测

大学物理实验教学中关于偏振光的合成与分解的内容较少,利用偏振片和波片检测偏振光的方法已经不能够满足学生物理知识学习的需求。对此,文章充分考虑偏振光的合成与分解,提出了两种新的偏振光检测方法。第一种方法是利用偏振片进行偏振光检测,能检测的偏振光包括线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光;第二种方法是利用1/4波片进行偏振光检测,此方法也能检测线偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。验证实验结果显示,上述两种方法均能准确检测入射光的偏振态。

偏振干涉法测量晶体应力双折射精度分析

为实现晶体材料应力双折射精确测量,提出了一种以偏振干涉法为基础的测量方法,采用楔形样品避免了样品厚度可能引起的测量错误。利用椭圆偏振光理论和琼斯矩阵,推导了检偏器旋转定位精度、四分之一波片相位偏差和待测样品方位角误差对测量结果——最小可探测光程差所引入误差的解析表达式。误差分析结果表明:检偏器旋转定位精度引入的光程差测量误差最大,检偏器旋转定位精度为10′时,引入的光程差测量误差为3.1nm;待测样品方位角误差引入的光程差测量误差居中,待测样品的方位角误差为1°时,引入的光程差测量误差为0.7nm;四分之一波片相位偏差引入的光程差测量误差最小,四分之一波片的相位偏差为1.5°时,引入的光程差测量误差仅为0.1nm。

琼斯矩阵在偏振干涉滤光片设计中的应用研究

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 2 L 延迟片构成的新型偏振干涉滤光片的输出特性 。

激光偏振干涉光路的非线性分析计算

偏振干涉光路两臂光程差的变化和合成干涉信号的相位变化，理论上具有线性关系，可以对引起光程差的任何微小量进行测量。实际上光路光学元件性能及调整并不理想，形成了二者的非线性关系。本文分析计算了各光学元件形成的非线性及这些元件综合形成的非线性，给出了适用于各种情况下的计算公式，并提出了光路的调整方法。

两级喇曼压缩系统配偏振干涉仪诊断等离子体电子密度

在星光Ⅱ铷玻璃激光装置上,采用两级喇曼压缩系统产生的波长为308nm的紫外光作为探针束,配合Nomarski偏振干涉仪对金平面靶冕区激光等离子体进行诊断。308nm光具有波长短、亮度高、脉冲时间短、相干性好的优点,作为探针束诊断冕区产生的等离子体电子密度,可以与高功率激光装置打靶激光同步,实现有效地脉冲压缩,同时避免等离子体中谐波分量的干扰。实验获得了308nm紫外探针光偏振干涉条纹图,在研究Abel反演算法的基础上,利用自行研制的基于Windows操作系统的实验数据处理软件,对实验数据进行了处理和分析,得到了冕区等离子体电子密度的空间分布。结果表明两级喇曼压缩系统配偏振干涉能有效抑制主束谐波影响,以更高时间分辨测量等离子体的更高密度区域。

用于线宽测量的偏振干涉共焦显微测量方法

提出一种融合共焦显微技术和偏振干涉技术的偏振干涉共焦显微测量方法。利用共焦技术进行准确的焦点定位,以获得最佳的测量光斑;同时,利用照射到台阶边缘的不同偏振方向(平行和垂直于台阶边缘)的线偏振光反射后产生的相位变化不同这一特性,进行边缘定位。相位变化是利用外差干涉测相的方法得到的。这一系统完全符合共光路原则,有很强的抗干扰能力。利用该系统对标准线宽样板进行了测量,测量结果与中国计量科学研究院用原子力显微镜测量的结果,以及厂商提供的可溯源到美国NIST光学线宽标准的测量值都符合的很好;还对同一刻线进行了5次重复性测量,其极限偏差为20nm。

基于双Wollaston棱镜偏振干涉成像光谱仪的光通量分析

光通量是偏振干涉成像光谱仪的关键参量之一 .该文在非理想情况下 ,通过分析Wollaston分束器和检偏器对入射光强的削弱作用 ,对基于双Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪的光通量进行了讨论 ,得到了较精确的光通量表达式 ,给出了最大调制度下的通量数值 ,并与近似理想条件下的光通量进行了比较 .

激光偏振干涉纳米定位系统的设计与实验研究

为适应工业发展和计量界对精密定位提出的越来越高的要求,提出了基于偏振激光干涉技术的纳米定位方法。在该干涉测长系统中,用偏振计取代传统单频激光干涉仪的光电传感器并配置偏振分光元件、起偏镜等,可将干涉仪出射光的干涉条纹相位细分为36 000份,使用波长为633 nm的激光源,可将理论测量分辨率提高到10 pm。将完成的偏振干涉测长系统与商用SIOS干涉仪的实验测量结果做了比对。对完成的实验系统的各误差源做了实验研究,得到量化值。经不确定度评估计算,在标准实验室环境条件下,对于微米级行程的位移,其位置测量不确定度小于1.4 nm。该方法可应用于纳米定位的各个领域。

宽场偏振干涉成像光谱仪的调制度研究

干涉成像光谱技术是一种集双光束干涉技术、二维成像技术以及高分辨率光谱技术于一体的高新遥感探测技术,常用来进行监视、识别和探测各种民用和军事目标。基于双折射晶体的宽场偏振型干涉成像光谱仪是该技术中的一种典型代表,组成其系统的偏光元件的性能是决定其成像质量和光谱复原精度的关键因素。论文考虑元件偏振误差和延迟误差对光路传播的影响,采用偏振追迹法推导出了系统干涉调制度的理论表达式,给出了其随入射角、入射波长、入射方位角以及元件偏振化方向和相位延迟量的变化特性,并定量分析了其允差范围。这为基于偏光器件成像光谱仪的系统设计、高光谱复原以及工程实践提供了重要的理论指导和技术支持。

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的通量分析

在简要论述稳态大视场偏振干涉成像光谱仪 (SLPIIS)的干涉成像原理的基础上 ,重点对稳态大视场偏振干涉成像光谱仪的通量进行了分析和计算 .在考虑透射比的情况下 ,推导了偏振器偏振化方向及二分之一波片的光轴取向偏离理想方向时通量随偏角的变化关系 ,给出了最大调制度情形下的通量数值 .这种稳态大视场偏振干涉成像光谱仪适用波长范围广 ,具有结构简单、超小型和大视场补偿功能 ,突出了高稳态、高通量的显著特点 ,特别适合航空、航天遥感及微弱信号探测 ,在军事。

近红外偏振干涉光谱仪的光学系统设计

提出一种基于偏振干涉的单光路近红外光谱仪光学系统.针对光纤耦合卤钨灯光源,设计离轴抛物面镜准直和会聚光学系统.氦氖激光作为采集控制光源,用冷光镜与近红外光束实现分合.采用正交放置的格兰-汤普逊棱镜为起偏和检偏器,设置补偿晶体和扫描光楔完成偏振干涉的相位补偿.近红外光偏振干涉光谱仪光学系统的光谱范围为800~1 700nm,理论光谱分辨率优于8cm^-1,通光口径Φ10.4mm.质量评价表明,全视场点列图均方根半径值约为1.7μm,垂轴色差小于0.2μm,全视场范围内几何包围圆Φ14μm之内能量达到100%.

近红外偏振干涉相位补偿器的稳定性

相位补偿器是偏振干涉仪的核心部件,其稳定性直接影响偏振干涉光谱仪的可靠性.本文分析了相位补偿器的光程差相对灵敏度、光楔倾斜误差、斜入射角误差和温度适应性等指标,并给出相应的误差容限计算公式.研究表明：相位补偿器移动光楔沿运动方向的抗干扰能力是经典迈克尔逊干涉仪的2/Δnsinθ倍,抗倾斜能力是经典迈克尔逊干涉仪的1.75/Δn倍;当入射光以微量倾斜误差入射后,相位补偿器不会产生额外的附加光程差;―20~85℃范围内的温度变化对相位补偿器产生的最大光程差误差为1.8μm,具有很高的热稳定性;当光楔角为30°时,干涉仪在性能、尺寸和成本之间达到均衡;晶体材料的双折射率差通常远小于1,偏振干涉的稳定性更加明显.本研究为相位补偿器在更为复杂的环境中的应用奠定了基础.

稳态大视场偏振干涉成像光谱仪原理及调制度分析

对自行研制中的稳态大视场偏振干涉成像光谱仪 (SLPIIS)的成像原理、分光机理及大视场补偿方法作了论述 .分析了起偏器、分析器的偏振化方向以及λ/ 2板的光轴取向对干涉图调制度的影响 ,给出了调制度随偏振化方向、光轴取向偏角变化的函数关系 ,讨论了最大调制度时的偏振化方向及λ/ 2板光轴的空间取向 .这种成像光谱仪体积小 ,没有运动部件 ,且具有广角补偿功能 ,从而显示出轻型、稳态。

一种纳米精度偏振干涉仪光学系统的研究

本干涉仪采用偏振测量和偏振接收装置。对干涉仪光路中激光的偏振态转换进行了详细的理论分析,对偏振干涉仪以及双频干涉仪的研制具有借鉴意义。该装置的重复性试验表明干涉仪重复性在30nm之内,说明干涉仪的性能比较可靠。如果对环境条件进行严格的控制,会得到更高的测量精度,有望实现纳米精度测量。

遗传算法在偏振干涉滤光片设计中的应用

期望输出的给定是偏振干涉滤光片设计的关键。首次采用遗传算法对期望输出进行全局优化 ,并详细分析了其实现过程。设计出的偏振干涉滤光片输出光谱具有过渡带宽窄且波纹小等显著优点 ,现已成功应用到LCOS液晶投影仪的分色

基于偏振干涉滤光片的宽波带偏振方向旋转器的设计

首次提出了基于偏振干涉滤光片设计方法的宽波带偏振方向旋转器。该旋转器实现了 380 nm～ 780 nm全波长范围内的偏振方向旋转。与普通的只针对某一特定波长的半波片相比 ,该偏振旋转器特性大大超越了普通 1 /2波片 ,并且入射角在± 2 0°范围仍实现偏振方向旋转 90°的要求。将该偏振方向旋转器用作 LCD或 LCOS投影仪中的偏振转换器 ,将大大提高系统的光能利用率以及投影系统的对比度。

一种利用偏振干涉原理测量表面粗糙度的方法

近年来,对精加工表面质量的要求日益增高,使得表面粗糙度的测量具有越来越重要的地位.提出了一种新颖的,利用光的干涉原理测量光滑物体表面粗糙度的方法.该光路使用一个半波片改变一路光束的偏振态,避免了以前广泛使用的类似测量系统中光路具有可逆性的问题,保证了系统的稳定性.使用一个1/4波片使接收端的光束的偏振态方向一致,使干涉信号最强.采用两光束共光路、同心聚焦扫描方法可实现表面粗糙度的绝对测量.通过对一标准量块的测量验证了方案的可行性,结果表明该系统在实验室现有条件下可以测量轮廓算术平均偏差Ra为0.012μm的粗糙度量块.

用外差偏振干涉法测量保偏光纤双折射率

提出一种基于半导体激光调频外差干涉原理的保偏光纤双折射率的测量方法,即通过测量由保偏光纤构成的偏振干涉仪输出的外差信号的频率,求得保偏光纤的相对双折射率。此方法具有较高的分辨率和潜在的高精度,以及系统结构简单、无运动部件和非破坏性测量等优点。

偏振干涉型单模光纤偏振特性测试仪的研究

单模光纤已广泛应用于光通信和随后发展起来的光纤传感器上,尤其在相干光通信发展以来,光纤的偏振特性显得非常重要,而干涉型和偏振型光纤传感器中,自然要涉及光纤的偏振特性,因此光纤偏振特性的研究是近年来一个引人瞩目的课题。