激光制导中偏振态动态检测技术研究

研究了激光制导中弹体旋转或光场时变与光速偏振态间的关系,在对偏振光信号特征参数分析的基础上,介绍了一种动态检测光偏振状态的方法,采用特定的相位延迟器及差和比的数据处理方式,可以消除测量装置与偏振光相对旋转的影响,并利用琼斯矩阵法分析了这一工作原理。研制的测量装置能实时给出偏振光的旋向和椭圆度。实验结果表明,相对旋转对偏振态测量的影响确实可以消除。

光子晶体缺陷模的偏振特性研究

为了了解光波在一维光子晶体的传输特性,利用传输矩阵方法进行了数值模拟,并研究了缺陷层厚度对缺陷模偏振特性的影响。结果表明,入射角的变化对光子晶体的禁带及缺陷模影响较大,它们都随入射角的增大向高频(短波)方向移动,s偏振的禁带宽度逐渐增宽而p偏振的禁带宽度变化不明显,p偏振的缺陷模频移较s偏振的稍大。随着入射角的增大,s偏振的缺陷模越来越细、品质因子逐渐增大,而p偏振的缺陷模变化趋势则刚好相反。

琼斯矩阵在分布式光纤传感器偏振态分析中的应用

针对基于Sagnac原理的分布式光纤传感器中光波偏振态在双折射影响下所带来的干涉信号“偏振诱导衰落”问题,运用琼斯矩阵分析法,建立了传输光偏振态影响系统功率传输系数的数学模型;根据仿真分析的结果,发现使用反射镜作为反射元件,只能消除光纤圆双折射的影响,而不能消除线性双折射的影响。因此,提出了使用法拉第旋转镜提高系统抗偏振衰落能力的改进方法,仿真结果表明可以很好地消除传感光纤的线性双折射和圆双折射的影响。

光纤磁场传感器对线双折射敏感度的分析

为了降低光纤磁场传感器中线双折射对系统输出的影响,提高测量系统的稳定性。介绍了基于法拉第磁光效应小型光纤磁场传感器的系统结构,利用琼斯矩阵对线双折射及入射起偏角对传感器输出特性的影响进行了推导与仿真。分析了系统对线双折射变化的敏感度大小与起偏角的关系,确定了最佳起偏角的范围。分析表明,当入射起偏角取一些特殊值时,能够将系统对线双折射变化的敏感度降到最低,提高了系统的稳定性和可靠性,为光纤磁场传感器的实用化设计提供了参考。

消偏型光纤陀螺的原理及应用分析

干涉型光纤陀螺是通过光纤环的Sagnac效应来敏感外部的旋转角速度,在实际的光纤陀螺系统中,Sagnac效应十分微弱,光波偏振态的随机变化引起陀螺的输出漂移和标度因数的不稳定性,从而影响陀螺的性能,采用光学消偏方法可以减小偏振态对光纤陀螺性能的影响.运用琼斯矩阵分析Lyot光纤消偏器的原理及输入输出端口的互易性,探讨Lyot消偏器的结构参数,结合系统中光信号的特点分析了消偏器对光纤陀螺的影响,并探讨了消偏型光纤陀螺的最优结构.消偏光纤陀螺的测试采样输出数据维持在36.5～37.9,整体来看输出平稳,噪声得到了明显的抑制,从而验证了消偏光纤陀螺的原理及其结构设计的可行性.

光路偏振串扰误差对闭环光纤陀螺精度影响

为解决闭环光纤陀螺光路中存在偏振串扰,导致光纤陀螺精度受到影响的问题,本文在变温环境下对光纤陀螺输出及零偏不稳定性进行了实验研究。从实际工程应用的角度,通过光学矩阵的方法对光路中的光学器件、熔接点以及光纤环中的偏振串扰点进行描述,并引入随温度变化的保偏光纤双折射变量,建立不同环境温度下光纤陀螺光路模型。结果表明:实验结果与理论估算基本一致,验证了模型的准确性。研究成果可以作为评价光纤陀螺光路是否存在缺陷的一种途径。

具有互易光路的集成光学电压传感器

文中提出了一种基于泡克耳斯效应的集成光学电压传感器测量直流电压的研究方案,光纤光路结构采用熊猫型保偏光纤与低偏光纤相结合以提高系统光路的互易性,理论上利用琼斯矩阵推导了入射光光路数学传输模型,得出干涉光强与干涉信号的关系表达式。针对该光学电压传感器设计方案,搭建了实验平台并对系统进行了0~15 V直流实验,实验结果表明该传感器输入电压与数字输出曲线之间具有良好的线性关系,最大非线性误差为0.2%,可初步证明该传感器互易光路的可行性。

全光纤的级联光纤系统琼斯弥勒矩阵测量

基于系统估值理论，提出并实现采用光纤波片的光纤系统琼斯弥勒矩阵测量．光纤波片和光纤系统有良好的适配性，且简单易行．针对光纤波片的环境敏感性，提出并实现基于系统方程矩阵自相似特点的波片延迟校准方法．此外，还通过系统优化，实现光纤波片旋转角度的调整．经实验验证，光纤波片延迟的校准和旋转角度的调整使系统误差得到了明显改善．最后，测量了1520~1620nm波长范围内两段级联光纤的偏振参数及其弥勒矩阵谱．

光波偏振态的相干矩阵表示及变换的研究

为从物理本质上揭示光波偏振态、偏振的叠加、混合和传播等概念和应用,利用相干矩阵方法分析光波偏振态。深入探讨了几种特殊意义情况下光波相干矩阵的特点及其可能的合成方式。选择部分偏振态通过线性光学元件和以布儒斯特角入射介质分界面时透射光偏振特性分析的典型例子,揭示了光波偏振态的变换问题。并在邦加球中以图解形式表示光波偏振态的几种合成形式及相干矩阵传输前后的偏振态变换。图解法使物理量的代数表示几何化,能更形象地描述偏振态的物理意义。分析表明,完全描述光波的偏振特性需要相干矩阵的本征值和本征态共同表征。

连续变量光场偏振态的可逆控制系统

连续变量光场偏振态的量子隐形传态不仅适合于远距离的量子态传输,而且可以直接和原子节点相互作用。实现连续变量光场任意偏振态的可逆控制是实现其量子隐形传态的关键。设计和实现了基于现场可编辑逻辑阵列的连续变量光场偏振态的可逆控制器。利用振幅分割型偏振测量方法和波片型偏振控制方法,实现了光场偏振态的测量与控制。通过算法优化和半开环结构设计,对于任意偏振态的测量误差平均值小于0.543°,转换误差平均值小于0.474°,还原误差平均值小于0.636°。该系统能够实现初始偏振态和预设偏振态之间有效转换,为连续变量偏振态的高效量子隐形传态的实现提供了必要的技术支撑。

用琼斯传输矩阵法研究二阶偏振模色散的统计特性

利用琼斯传输矩阵法研究了二阶偏振模色散的统计特性。对数值模拟中出现的偏振模色散随步长变化的问题做了相应的修正 ,利用修正后的模型得到了偏振模色散矢量的频率相关特性 ;模拟了偏振模色散值为 2 5ps时二阶偏振模色散的几率分布 ,所得结果与理论结果能够很好地吻合 ;简单地分析了脉宽为 8ps的高斯脉冲在此条件下的展宽情况 ,指出了高阶补偿的必要性。

无偏振效应分束器反射相移对法拉第镜式光学电流互感器输出光偏振态的影响

线性双折射和反射相移使光学电流互感器输出光偏振态产生椭圆退化并导致灵敏度降低,法拉第镜式光学电流互感器可以有效解决椭圆退化问题。无偏振效应分束器是构成该方案的核心器件,为了准确掌握无偏振效应分束器的性能和作用,用琼斯矩阵建立了无偏振效应分束器和法拉第镜式光学电流互感器的矩阵模型。分析了无偏振效应分束器反射相移对系统输出光偏振态的影响。提出无偏振效应分束器反射相移的测量方案并测出其常温下的实际值为5.02°,绘制了温度实验曲线。用MathCAD软件仿真了系统输出光偏振态图,并分析了椭率与无偏振效应分束器反射相移的关系。指出计量0.2级光学电流互感器所允许的反射相移漂移范围要小于0.1%。所得结果可为光学电流互感器的实用化研究提供参考。

基于斯托克斯空间的任意正交基矢下琼斯矩阵的测量

研究了任意正交偏振基矢下光的相干矩阵与其斯托克斯空间坐标的关系,研究表明任意正交偏振基下的相干矩阵都可以用其斯托克斯空间坐标表征。在此基础上,提出了一种根据斯托克斯空间坐标直接测量任意偏振基下光器件琼斯矩阵的方法,并对法拉第旋转器进行了验证实验。实验证明该方法可避免斯托克斯矢量与琼斯矢量之间,或穆勒矩阵与琼斯矩阵之间的转换,使光器件偏振特性的测量和光路偏振性能的分析更为便捷。

光纤器件偏振特性的全光纤测试系统

利用单模光纤(SMF)扭转双折射较小的特征,设计了全光纤偏振测试系统。用琼斯矩阵方法给出了系统的工作原理,分析了其测试精度。实验表明,用消光比(ER)为50 dB的保偏光纤(PMF)偏振器和角度分辨率为5000 step/rotation的伺服电机组成的全光纤偏振测试系统具有大于40 dB的ER测量范围以及0.05 dB的测量精度。该系统克服了用分立元件组成的传统偏振测试系统重复性不高、稳定性不好的缺点,并具有结构简单、操作容易等优点。

静态偏振风成像干涉仪光传输特性和光通量改善

静态偏振风成像干涉仪利用偏振光束来获得干涉图,光束在偏振元件中的传输特性成为分析研究的关键.Jones矩阵用于分析系统的光学传输特性和偏振态变化过程,形式简洁,计算方便,容易得出光学元件对系统性能的影响.本文用Jones矩阵对静态偏振风成像干涉仪系统进行了描述,推导出了适用于普遍情况的系统矩阵表达式,计算出核心偏振元件的偏振化方向和波片方位角对应于系统光通量和干涉调制度的关系,确定了系统中各偏振元件的最佳偏振化方向和波片的最佳方位角;并通过视场展宽技术和提高四面角锥棱镜的透光率对光通量加以改善,利用光线追迹软件仿真,对视场展宽前后的干涉强度作了对比,达到预期的效果.为静态偏振干涉成像光谱仪的设计、研制和工程化提供重要理论和实践指导.

金属-光子晶体-金属结构中的双波TE偏振完美吸收

设计了一个一维金属(M1)-光子晶体(PC)-金属(M2)结构,利用传输矩阵理论,通过M1-PC-M2结构反射谱中的dip(凹处)来确定光学Tamm态(OTS),数值计算表明在金属与光子晶体界面处存在两个OTSs,当45 nm≤dM1≤52 nm时,M1-PC-M2结构可同时实现对两个OTSs的横向电场(TE)偏振完美吸收,吸收峰的峰值波长约为743.1 nm与745.7 nm,吸收率均在95%以上。当入射角从0°增大到60°,该结构对两个OTSs的吸收率均在95%以上,同时实现对两个OTSs的TE偏振完美吸收,并且两个吸收峰的峰值波长发生蓝移。当光子晶体周期数在7到15之间变化时,均可实现双波TE偏振完美吸收。

光束偏振对自参考干涉信号对比度的影响

相位光栅位置测量系统是实现超精密制造的核心,自参考干涉信号对比度是影响相位光栅位置测量精度的重要因素之一,而光束偏振特性直接决定了自参考干涉信号的对比度。采用琼斯矩阵和矢量形式反射定律,对自参考干涉仪棱镜中的传输光束进行了偏振追迹,构建了相位光栅位置测量系统的琼斯矩阵模型,并用物理光场数值分析软件VirtualLab验证了该模型的准确性。基于该模型分析了偏振分光面消光比、入射光偏振态及棱镜光程差对自参考干涉信号对比度的影响,结果表明,在波长为λ的照明光束下,为保证干涉信号对比度优于0.98,偏振分束镜的消光比需大于122,入射光椭偏角ψ和椭圆度tanε分别在(0.693 rad,0.878 rad)和(-0.093,0.093)范围内,棱镜光程差需控制在(-0.03λ,0.03λ)范围内。综合考虑后,要求入射光椭圆度的取值范围为0.531δ±0.087(δ为自参考干涉仪棱镜的相位差)。该分析结果可为相位光栅位置测量系统中光束偏振特性的调控补偿提供理论依据,对提高自参考干涉信号对比度及相位光栅位置测量系统的精度具有重要意义。

基于级联涡旋半波片的高阶柱矢量光束产生及其偏振检测

涡旋半波片(VHP)是一种快轴取向在空间分布上呈特定角向变化规律的偏振光学元件。通过级联两个或多个低阶VHP可以产生任意高阶柱矢量光束(CVB)。基于单个VHP的琼斯矩阵,推导了VHP级联后的等效琼斯矩阵,从理论上解释了VHP级联后等效阶数的变化规律。实验上,利用m=-1和m=2的两个VHP级联产生1阶和3阶径向偏振和角向偏振CVB,计算斯托克斯参数并绘制矢量光束偏振态分布图,并与m=1的单个VHP直接生成的CVB进行比较,证明了级联方法的可靠性。在级联VHP产生相同高阶CVB时,VHP的不同级联顺序能够影响由于中心错位而造成的光束畸变程度。经实验对比分析,得到了级联应用中能够稳定产生高质量、高阶CVB的方法,并通过级联多个VHP产生了100阶以内任意CVB。