新型濾波器件的研究【優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p><b>　　新型濾波器件的研究</b></p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)

2、 應(yīng)用物理 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘　要&l

3、t;/b></p><p>　　【摘要】用標(biāo)準(zhǔn)水溶液法生長(zhǎng)出的長(zhǎng)30.62mm、寬29.20mm、高28.34mm的大尺寸氯酸鈉晶體，用線偏振的He-Ne激光入射到氯酸鈉晶體，使在其內(nèi)部以Brewster角內(nèi)反射并再經(jīng)過全反射出射。從理論和實(shí)驗(yàn)的兩方面對(duì)該大尺寸氯酸鈉晶體內(nèi)反射時(shí)的偏振特性做了研究，發(fā)現(xiàn)在消光位置，氯酸鈉晶體入射光的偏振取向較之普通玻璃的入射光偏振取向旋過了87.43°。同時(shí)，基于

4、氯酸鈉晶體的各向同性和旋光色散特性，首次利用線偏振光以Brewster角內(nèi)反射時(shí)P分量反射率為零的特性，研制出一種新型內(nèi)反射旋光光學(xué)濾波器，該光學(xué)濾波器僅需采用單個(gè)偏振片，即可達(dá)到良好的濾波效果。利用Mueller矩陣對(duì)該濾波器的濾波特性進(jìn)行理論分析以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明對(duì)含有532nm和632.8nm譜線的線偏振光，改變起偏器角度即可連續(xù)調(diào)制出射紅、綠光的光強(qiáng)，當(dāng)起偏器較初始位置旋轉(zhuǎn)過133.36°和173.06°

5、時(shí)，綠光和紅光分別消光，綠光和紅光的隔離度可達(dá)10dB。另外，測(cè)試了該濾波器對(duì)一般帶狀光譜的濾波效果，得出通過旋轉(zhuǎn)起偏器，能夠連續(xù)調(diào)制出射光譜線的峰值波長(zhǎng)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】光學(xué)濾波器；各向同性；布儒斯特角；內(nèi)反射。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　【ABSTRACT】The large-

6、sized cube-shaped crystals of sodium chlorate with the dimension of 30.62 cm×29.20cm×28.34mm is grown by using standard aqueous solution. For the polarized He-Ne laser light incident upon the sodium chlorate cr

7、ystal, we make it accomplish two times internal reflection: first at its internal Brewster angle of 33.42 °and then at total reflection angle. For the first time we investigate the polarization characteristic of lig

8、ht in the case of above course by theory and experiment</p><p>　　【KEYWORDS】 optical filter; isotropy; Brewster angle; internal reflection.</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><

9、;b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 光學(xué)濾波器概述1</p><p>　　1.2 各向同性手性晶體的研究及現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 旋光色散光學(xué)濾波器的研究及意義2</p><p>　　2 基本原理與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備3</p><p>　　3 光學(xué)特性研究5<

10、/p><p>　　3.1 理論模擬5</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)過程及討論6</p><p><b>　　3.3 小結(jié)7</b></p><p><b>　　4 濾波器研究8</b></p><p>　　4.1 數(shù)值模擬8</p><p>

11、　　4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析10</p><p>　　4.3 帶狀光譜濾波13</p><p><b>　　4.4 小結(jié)14</b></p><p>　　5 總結(jié)與展望15</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)1</b></p><p>　　在校期間所取得的科研成果

12、錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 光學(xué)濾波器概述</p><p>　　光學(xué)濾波器作為一種波長(zhǎng)選擇器件，其能在分離譜中提取某些輻射的波長(zhǎng)，或在連續(xù)譜中透過一定寬度的波長(zhǎng)[1]。當(dāng)前，伴隨著光通信技術(shù)和光傳感技術(shù)的發(fā)展，

13、光學(xué)濾波器在波分復(fù)用（WDM）[2]和時(shí)分復(fù)用（TDM）技術(shù)中有著十分重要的應(yīng)用。同時(shí)，它還在空間通訊、光譜分析、光纖通信、太陽(yáng)物理[3]、激光技術(shù)[4]以及雷達(dá)技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前的光學(xué)濾波器（濾光片）大致包括Lyot型濾波器、原子共振濾波器(ARF)[5]、Faraday 反常色散濾波器(FADOF)[6]、法布里-珀羅濾波器、光纖布拉格光柵濾波器[7]、Mach–Zehnder干涉濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF）[8

14、]及基于光子晶體的小型光學(xué)濾波器[9]等。其中Lyot型濾波器使用最早，其實(shí)際是一種基于雙折射原理所設(shè)計(jì)的濾光片，由石英晶體雙折射所產(chǎn)生的相位差起到濾波效果，所以其具有視場(chǎng)大、抗損傷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)和帶通較窄等特點(diǎn)[10]。原子共振濾波器（ARF）的原理是由N. Bloembergen[11]提出的，具體在80年代興起[5，12]，其利用原子對(duì)信號(hào)光的吸收效應(yīng)，故具有超窄帶寬（0.001nm）、各向同性及大接受視角</p>&

15、lt;p>　　1.2 各向同性手性晶體的研究及現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)前對(duì)石英晶體的研究已較為廣泛和深入，除去在光學(xué)特性及其器件上的研究和應(yīng)用，它還可以作為一種壓電材料，來制作石英諧振器和濾波器。手性晶體一般都具有旋光現(xiàn)象，有些還具有明顯的色散效應(yīng)，比方石英晶體、溴酸鈉晶體、氯酸鈉晶體等。旋光色散效應(yīng)主要是指“某些晶體或者由于晶體結(jié)構(gòu)的原因，使得在光電場(chǎng)作用下，晶體內(nèi)產(chǎn)生的電極化在空間分布有不均勻的現(xiàn)象

16、，導(dǎo)致晶體的電極化強(qiáng)度與光電場(chǎng)不成線性關(guān)系，這種現(xiàn)象稱為旋光性或稱光活性（Optical Activity）”[19]具體表現(xiàn)為“當(dāng)入射光為單色線偏振光時(shí)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度與光在晶體內(nèi)所經(jīng)過的路程成正比，同時(shí)還跟光的波長(zhǎng)有關(guān)”。[20]</p><p>　　一般手性晶體（材料）主要為各向異性，典型的如石英晶體、NaNO2晶體等。像NaClO3和NaBrO3這類固體的各向同性手性材料[21]并不多見。而當(dāng)前對(duì)這些各

17、向同性的手性晶體的研究主要集中光學(xué)和材料特性及晶體生長(zhǎng)等方面的研究。例如1951年，G. N. Ramachandran 和F. A. Sc 首次在理論上模擬了NaClO3和NaBrO3晶體在不同波長(zhǎng)下的旋光率的近似值 [22] 。1968年，哈佛的H. J. Simon和N. Bloembergen報(bào)道了NaClO3和NaBrO3晶體的非線性效應(yīng)，即二次諧波的產(chǎn)生[23]。1971年，牛津的C. R. Jeggo也報(bào)道了NaClO3晶

18、體非線性效應(yīng)和旋光現(xiàn)象的理論研究 [24] 。1998年，A. A. Kaminskii對(duì)將NaClO3晶體用作Raman激光介質(zhì)作了研究 [25] 。2001年，Shannon Mahurin等人對(duì)通過蒸發(fā)水溶液法所生長(zhǎng)的氯酸鈉晶體在β射線下的特性作了研究[26]。2006年，寧波大學(xué)的陶衛(wèi)東等人報(bào)道了對(duì)于可見光波段的氯酸鈉晶體的旋光色散（ORD）特性及圓二色性（CD）的研究[27]，進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)</p><p&g

19、t;　　1.3 旋光色散光學(xué)濾波器的研究及意義</p><p>　　在2003年，F(xiàn)inland Oulu大學(xué)的Chun Ye 報(bào)道了一種基于石英晶體旋光色散特性所設(shè)計(jì)并制作的波長(zhǎng)可調(diào)諧的光譜濾波器。它通過一系列的旋光色散器件的組合來篩選波長(zhǎng)，其通過內(nèi)部元器件的選擇，在不需要消色差相位延遲器的請(qǐng)況下即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械調(diào)諧、電至調(diào)諧和電至開關(guān)[]。2004年，他將液晶引入該種濾波器中，從而實(shí)現(xiàn)了電至調(diào)諧和開閉[15]。2

20、006年，通過將濾波器內(nèi)部的偏振器換成四分之一波片，大大降低了該類濾波器的插入損耗[28]。2007年，曲阜師范大學(xué)的張姍等人根據(jù)Chun Ye的研究，將該濾波器的原理結(jié)構(gòu)用于二次諧波效應(yīng)的測(cè)試，取得了良好的效果[18]。次年，進(jìn)一步對(duì)Chun Ye所設(shè)計(jì)的濾波器性能及特征參數(shù)進(jìn)行了分析[16、17]。</p><p>　　由于旋光色散光學(xué)濾波器所使用的旋光晶體自身就具有高透射率，無使用波段限制，制作簡(jiǎn)單，等特點(diǎn)

21、。同時(shí)，當(dāng)前對(duì)此類光學(xué)濾波器的研究還不夠深入和廣泛，且由于旋光色散原理的使用，在一定程度上也限制了濾波器的小型化和廉價(jià)化。故而就有必要對(duì)其作進(jìn)一步的研究，在保證良好的濾波性能的前提下，使器件更小、調(diào)諧速度更快。</p><p>　　2 基本原理與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備</p><p>　　一些晶體由于自身的的獨(dú)特結(jié)構(gòu)而存在旋光現(xiàn)象，當(dāng)入射光為單色線偏振光時(shí)，振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度δ與光在晶體內(nèi)所經(jīng)過的路程成正

22、比[29]：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中α為晶體的旋光率，在晶體中旋光率與光波的波長(zhǎng)有關(guān)，旋光率α的單位是(°)/mm。實(shí)驗(yàn)測(cè)得氯酸鈉晶體在632.8nm波長(zhǎng)下的旋光率為2.7(°)/mm，在532nm波長(zhǎng)下旋光率為3.9(°)/mm。</p><p>　　2.1 旋光

23、原理圖像</p><p>　　根據(jù)菲涅爾反射、折射原理，當(dāng)一束光在介質(zhì)的界面上發(fā)生反射和折射時(shí)，其入射光可分解為垂直于入射面的S分量和平行于入射面的P分量，而且發(fā)生反射和折射時(shí)P分量和S分量的振幅都會(huì)有一定的衰減或增強(qiáng)，其反射和透射的振幅比遵循式(2-2)至(2-5)。式中rp和rs代表P分量和S分量的振幅反射比，tp和ts代表P分量和S分量的振幅透射比，i1為入射角，i1′ 為反射角，i2為折射角。</p

24、><p>　　圖2.2 菲涅爾反射折射坐標(biāo)系</p><p>　　圖2.3 內(nèi)、外反射時(shí)光強(qiáng)反射率曲線</p><p>　　由式(2-2)可知，當(dāng)入射光以一定的角度（即Brewster角）入射時(shí)，P分量的反射率為零，又根據(jù)式(2-2)，Brewster角iB可由式(2-6)求得。</p><p><b>　　(2-6)</b>

25、;</p><p>　　對(duì)于一束線偏振光以Brewster角反射時(shí)，反射光強(qiáng)隨入射光相對(duì)于入射面的偏振方向的變化會(huì)有不同，特別當(dāng)線偏振光通過普通玻璃和具有旋光性的氯酸鈉晶體時(shí)，由于偏振取向在氯酸鈉晶體內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，兩者的出射光的偏振特性便會(huì)有顯著的差異。又由于氯酸鈉晶體的旋光色散特性，當(dāng)以同一偏振方向入射時(shí)，不同波長(zhǎng)的線偏振光的偏振方向會(huì)在晶體內(nèi)部旋轉(zhuǎn)過不同的角度，故對(duì)于入射晶體時(shí)偏振方向相同的線偏振光，其在晶體內(nèi)部

26、以布儒斯特角反射時(shí)，反射光強(qiáng)會(huì)因波長(zhǎng)而有不同。</p><p>　　圖2.4 實(shí)驗(yàn)用氯酸鈉晶體實(shí)物圖</p><p>　　實(shí)驗(yàn)使用圖2.4所示的氯酸鈉晶體。經(jīng)測(cè)量，其長(zhǎng)30.62mm、寬29.20mm、高28.34mm，普通玻璃和氯酸鈉晶體的折射率分別為1.5147和1.5139。實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備包括波長(zhǎng)為632.8nm的HJ-1B型He-Ne激光器，波長(zhǎng)為532nm、功率為100mW的半導(dǎo)

27、體激光器，KH-22-1A步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的偏振片，Ocean Optics的USB 4000光纖光譜儀組成，5584A 斬波器，LI5640鎖相放大器以及其他常用光學(xué)器件。</p><p><b>　　3 光學(xué)特性研究</b></p><p><b>　　3.1 理論模擬</b></p><p>　　經(jīng)式(2-6)得玻璃的B

28、rewster角為33.42°，氯酸鈉晶體為33.44°，故相應(yīng)入射角i1分別為56.58°和56.56°。又由式(2-3)可知，反射角極其細(xì)微變化對(duì)P分量的反射率影響并不大，故入射角統(tǒng)一取56.57°。</p><p>　　圖3.1 光線在玻璃和氯酸鈉晶體內(nèi)的路徑示意圖</p><p>　　由于玻璃不具有旋光性，當(dāng)線偏光從折射面1入射時(shí)，

29、P分量會(huì)因反射面1的零反射率而沒有反射光，故線偏振光入射普通玻璃時(shí)可只取在折射面1入射時(shí)的S分量，又光強(qiáng)與振幅的平方成正比，且我們只研究偏振特性的變化，對(duì)光強(qiáng)數(shù)值上并不做要求，所以用振幅來表示相對(duì)光強(qiáng)的大小，故由式(2-2)~(2-5)推出最終從玻璃出射的光強(qiáng)正比于式(3-1)。</p><p>　　(3-1)其中： ； ； ； iB=33.42°；</p><p>　　i1=

30、56.58°；為線偏振的入射光的偏振取向與水平面的夾角（按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)）。</p><p>　　當(dāng)通過氯酸鈉晶體時(shí)，由于氯酸鈉晶體內(nèi)部的旋光效應(yīng)，在線偏光入射時(shí)還必須考慮P分量。我們?cè)O(shè)入射光振幅為“1”，則在折射面1上P分量和S分量的振幅分別為：</p><p>　　; (3-2)</p><p>　

31、　考慮到在晶體內(nèi)部的旋光效應(yīng)，反射面1上按Brewster角內(nèi)反射時(shí)，其P分量與S分量的振幅取向已經(jīng)在晶體內(nèi)部偏轉(zhuǎn)過了的角度，由式(2-1)求得=93.03°。</p><p>　　依據(jù)Brewster角反射的性質(zhì)，經(jīng)如圖3.1反射面1反射后僅剩下光矢量的S分量，從而經(jīng)反射面2全反射后在折射面1界面上的偏振態(tài)不隨入射光偏振方向而有所變化，即P分量和S分量的相對(duì)大小不變，已知光在晶體內(nèi)部傳輸時(shí)各界面上入射

32、角、反射角、折射角均不發(fā)生變化，故各界面上的P分量和S分量的振幅反射透射比rP、tP、rS、tS為定值，故而折射面1上再次透射時(shí)的透射光強(qiáng)與入射光的偏振方向無光，僅與反射面1反射后的光強(qiáng)有關(guān)，所以根據(jù)式(2-2)、(2-4)、(2-5)，得出經(jīng)反射面1反射后的振幅的平方即正比于最終出射光光強(qiáng)。</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b

33、>　　(3-4)</b></p><p><b>　　其中： ； ； </b></p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)過程及討論</p><p>　　將一塊立方體形的普通玻璃和氯酸鈉晶體（圖2.4）放在水平臺(tái)上。He-Ne激光器發(fā)出的激光，經(jīng)斬波器調(diào)制，再經(jīng)起偏器轉(zhuǎn)換成線偏振光，最后如圖3.1所示以i1=56.57°角入射

34、，經(jīng)反射面1和2反射后，最終再?gòu)恼凵涿?透射出來。用光電探頭測(cè)量出射光光強(qiáng)值，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換之后在PC終端上輸出。由計(jì)算機(jī)程序帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來控制偏振取向（起偏器），使其沒轉(zhuǎn)每轉(zhuǎn)1°，便測(cè)量一次光強(qiáng)值，共轉(zhuǎn)過360°，實(shí)驗(yàn)裝置見圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖</p><p>　　由于本文只討論線偏光經(jīng)普通玻璃和氯酸鈉晶體并以布儒斯特角內(nèi)反

35、射后的出射光的偏振特性的變化，對(duì)具體的光強(qiáng)大小并不作要求。故根據(jù)式(3-1)和(2-1)式可作出相應(yīng)的曲線并歸一化后與實(shí)驗(yàn)值做比對(duì)，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)線偏振光的起始偏振方向?yàn)?8.5°，所以在理論模擬時(shí)，式(3-1)和(3-3)均需加上38.5°的橫向位移，從而得式(3-5)、(3-6)。</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>&

36、lt;b>　　(3-6)</b></p><p>　　將式(3-5)、(3-6)所作圖線與實(shí)際測(cè)量值所描繪的圖線一同經(jīng)歸一化處理后作比較（見圖3.3）。由于所測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)非常密集，為更清楚地將實(shí)驗(yàn)值與理論值在圖中作比較，我們按固定間隔4°抽取了其中1/4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制成散點(diǎn)實(shí)驗(yàn)圖線。</p><p>　　○玻璃實(shí)驗(yàn)值；△氯酸鈉晶體實(shí)驗(yàn)值；——玻璃理論值；氯酸鈉晶體

37、理論值；</p><p>　　圖3.3 歸一化后的出射光強(qiáng)隨入射線偏振光偏振取向變化曲線</p><p>　　如圖所示，入射到氯酸鈉晶體中時(shí)由于晶體的旋光效應(yīng)使相對(duì)光強(qiáng)變化曲線的相位剛好落后普通玻璃180°—。</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　將相應(yīng)數(shù)值代入式(3-7)求得為

38、92.57°，即當(dāng)在使玻璃消光的偏振取向上再轉(zhuǎn)過87.43°便能使從氯酸鈉晶體出射的光消光。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出氯酸鈉消光的偏振取向較之玻璃旋過了87.5°，考慮到實(shí)驗(yàn)精度及環(huán)境因素的影響，實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)期取得了很好的吻合。</p><p><b>　　3.3 小結(jié)</b></p><p>　　我們通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算研究了氯酸鈉晶體對(duì)不同偏振取向

39、的線偏振光以布儒斯特角內(nèi)反射時(shí)偏振特性的變化，并將普通玻璃作為參照物，進(jìn)一步說明了內(nèi)反射時(shí)旋光晶體的偏振特性的變化。</p><p><b>　　4 濾波器研究</b></p><p><b>　　4.1 數(shù)值模擬</b></p><p>　　圖4.1 濾波器結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　本文設(shè)計(jì)

40、的反射型旋光光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，僅由一個(gè)起偏器和各向同性旋光晶體組成。入射光經(jīng)起偏器起偏后直接入射氯酸鈉晶體，經(jīng)反射面1以布儒斯特角反射后，再?gòu)恼凵涿?出射。由于氯酸鈉晶體的立方形結(jié)構(gòu)，出射光恰與入射光平行且方向相反。圖4.1中的i1、iB表示相應(yīng)界面上的入射角，亦可參見圖2.4的具體傳輸路徑示意。</p><p>　　上文中已對(duì)線偏振光在氯酸鈉晶體內(nèi)以Brewster角內(nèi)反射時(shí)的偏振特性作了數(shù)值模擬，

41、其用常規(guī)的正交分解的方法，雖然較為簡(jiǎn)單，但物理思想不夠清晰、明了，故我們使用當(dāng)前較為常用的Mueller矩陣對(duì)不同波長(zhǎng)下的線偏振光在氯酸鈉晶體內(nèi)部以Brewster角內(nèi)反射時(shí)的偏振特性作了理論模擬，使得該方法更為通用與明晰。</p><p>　　已知入射光的Stokes矢量Sin [18]和偏振片的Mueller矩陣MP [30]以及旋光晶體的Mueller矩陣MR [29]分別為：</p><

42、;p><b>　　(4-1)</b></p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　上式中，，。又由于如圖4.1所示，本設(shè)計(jì)測(cè)試時(shí)令偏振片從豎直方向開始按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，故需令。</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　已知在

43、介質(zhì)界面上的透射光的Jones矩陣Jt和Brewster角反射光的Jones矩陣JB分別為[31]：</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　　根據(jù)式(4-6) [32]可將Jones矩陣轉(zhuǎn)化為Mueller矩陣。</p><p&

44、gt;<b>　　(4-6)</b></p><p>　　式中定義為相對(duì)應(yīng)的的復(fù)共軛。</p><p>　　故得出、對(duì)應(yīng)的Mueller矩陣和。</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p><b>　　(4-8)</b></p><p&g

45、t;　　所以從如圖4.1所示的反射面1反射后的Stokes參量為：</p><p><b>　　(4-9)</b></p><p>　　依據(jù)最終在晶體折射面1出射光的光強(qiáng)正比于式(4-10)。</p><p><b>　　(4-10)</b></p><p>　　由上式可知，當(dāng)滿足式(4-11)時(shí)，

46、出射光強(qiáng)為零，即為該波長(zhǎng)下的消光角所對(duì)應(yīng)的偏振方向，也就是起偏器的旋轉(zhuǎn)角度。</p><p><b>　　(4-11)</b></p><p>　　4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析</p><p>　　實(shí)驗(yàn)同樣使用圖2.4所示的氯酸鈉晶體，已知氯酸鈉晶體的Brewster角為33.44°，相應(yīng)的入射角為56.56°。將氯酸鈉晶與偏振片

47、組成的濾波器置于如圖4.2所示的的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，從He-Ne激光器發(fā)出的紅光和從半導(dǎo)體激光器出射的綠光經(jīng)半透-半反鏡調(diào)節(jié)而會(huì)合成同一束光，依次透過格蘭棱鏡、菲涅爾棱體，起偏器，最后以56.56°的入射角入射氯酸鈉晶體（參見圖4.1），由光纖光譜儀讀取從氯酸鈉晶體內(nèi)反射后的透射光光譜圖，起偏器每旋轉(zhuǎn)5°，采集相應(yīng)的紅光和綠光的光強(qiáng)值，繪制出圖4.3所示的出射光強(qiáng)隨入射線偏振光偏振方向和波長(zhǎng)變化的三維數(shù)據(jù)圖。</p

48、><p>　　圖4.2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖</p><p>　　圖4.3 不同偏振方向下出射光譜線三維圖</p><p>　　依據(jù)氯酸鈉晶體實(shí)際尺寸，計(jì)算得到路程為36.69mm，故紅光和綠光的旋光角度分別為99.26°和142.31°。另外由式(2-4)、(2-5)求得以56.56°的入射角入射晶體時(shí)的S光和P光的透射率分別為0.607和0.

49、66，將其帶入式(4-11)推得對(duì)于線偏振光的不同偏振角度所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)變化，即式(4-12)和(4-13)。</p><p><b>　　(4-12)</b></p><p><b>　　(4-13)</b></p><p>　　用式(4-12)和(4-13)所作的歸一化圖線表示綠光和紅光的最終出射光的相對(duì)光強(qiáng)大小，而后和

50、實(shí)際測(cè)量值所描繪的歸一化圖線作比較（圖4.4）。表明所測(cè)得的綠光和紅光的相對(duì)光強(qiáng)與入射光偏振方向的變化與理論預(yù)期很好的吻合，同時(shí)還表明，綠光和紅光的出射光強(qiáng)可隨起偏器偏振方向的變化而被連續(xù)的調(diào)制，即可作為一種強(qiáng)度可調(diào)的連續(xù)的二值信號(hào)輸出，所以亦可用作光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件。</p><p>　　圖4.4 歸一化后的出射光強(qiáng)隨入射線偏振光偏振方向變化曲線</p><p>　　根據(jù)式(4-11)的計(jì)算

51、得出當(dāng)?shù)扔?30.03°和310.03°時(shí)綠光消光，當(dāng)?shù)扔?71.47°和351.47°時(shí)紅光消光，而實(shí)驗(yàn)也測(cè)得在分別等于130°、310°和170°、350°時(shí)綠光和紅光基本消光（見圖4.5）。參照文獻(xiàn)[33]，本文用式(4-14)定義紅光和綠光的隔離度，同時(shí)依據(jù)式(4-14)計(jì)算出不同值下的隔離度值（圖4.5）。</p><p>

52、<b>　　(4-14)</b></p><p>　　圖4.5 起偏器旋轉(zhuǎn)130°、170°、310°和350°所測(cè)得的譜線（a）θ=130°,（b）θ=170°,（c）θ=310°,（d）θ=350°</p><p>　　圖4.6 不同偏振方向下紅光和綠光隔離度</p>&

53、lt;p>　　另將式(3-12)(3-13)直接代入(3-14)式，可分別求得理論上的紅綠光對(duì)應(yīng)的隔離度曲線。</p><p>　　圖4.7 不同偏振方向下紅綠光隔離度理論曲線</p><p>　　圖4.6所示結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)測(cè)得紅綠光的隔離度可以超過10dB，且隨入射偏振方向隔離度變化明顯；而圖4.7曲線表明，理論上紅、綠光的隔離度可超過100dB。因此可以預(yù)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中，如對(duì)構(gòu)

54、成濾波器的元器件作進(jìn)一步改進(jìn)，例如對(duì)晶體作精細(xì)拋光處理、提高起偏器的性能等等，則有可能進(jìn)一步提高該濾波器的實(shí)際隔離度性能。</p><p>　　4.3 帶狀光譜濾波</p><p>　　溴鎢燈發(fā)出的普通的白光源，經(jīng)平行光管后，直接入射如圖4.1所示的濾波器，同樣由光纖光譜儀接收出射光強(qiáng)。在0~180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)起偏器的方位角，起偏器每轉(zhuǎn)10°便記錄出射光的譜線，最終繪制

55、出如圖4.8所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。圖4.8表明，當(dāng)起偏器的方位角從0~180°變化時(shí)，出射光的峰值波長(zhǎng)在440nm~670nm之間連續(xù)變化。</p><p>　　圖4.8. 帶狀光源下不同起偏角的出射光譜三維圖。</p><p><b>　　4.4 小結(jié)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)了一種新型的內(nèi)反射型旋光光學(xué)濾波器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，可對(duì)

56、由紅、綠兩色激光耦合而成的線偏振光取得良好的濾波效果，在消光位置處綠光和紅光的隔離度均超過或接近10dB，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光強(qiáng)隨入射線偏振光的偏振方向的變化與理論模擬很好的吻合。另外，實(shí)驗(yàn)和理論一致表明，對(duì)應(yīng)相同的輸入光強(qiáng)，本文所設(shè)計(jì)的濾波器，能通過偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)定且連續(xù)地調(diào)制出射的紅光和綠光的光強(qiáng)，故本設(shè)計(jì)亦可作為可連續(xù)調(diào)諧的雙穩(wěn)態(tài)器件。同時(shí)，還測(cè)試了該濾波器對(duì)于帶狀光源的濾波性能，得出通過起偏器的變化可連續(xù)調(diào)制出射譜線的峰值波長(zhǎng)。本文所

57、設(shè)計(jì)的濾波器除必需的各向同性旋光晶體氯酸鈉外，只需再配合一個(gè)偏振片，不需附加其他構(gòu)件，即可巧妙利用晶體內(nèi)部Brewster角內(nèi)反射的性質(zhì)而成為一種反射型的光學(xué)濾波器，較之其它光學(xué)濾波器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更為簡(jiǎn)單，精巧，而同時(shí)具備優(yōu)異的濾波性能。</p><p><b>　　5 總結(jié)與展望</b></p><p>　　本文首先對(duì)線偏振光在其內(nèi)部以Brewster角內(nèi)反射時(shí)的偏

58、振特性進(jìn)行了研究，并且用普通玻璃作為參照物，得出氯酸鈉消光的偏振取向較之玻璃旋過了87.5°，也進(jìn)一步驗(yàn)證了氯酸鈉晶體的各向同性的特征。又基于上述研究，利用氯酸鈉晶體的旋光色散的特性，研制出一種新型內(nèi)反射旋光光學(xué)濾波器，它與傳統(tǒng)的旋光色散濾波器相比僅使用一個(gè)偏振片便達(dá)到了良好的濾波效果，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精巧。故本文的研究為進(jìn)一步設(shè)計(jì)小型化、高性能的光學(xué)濾波器提供了新的方法和思路，也為進(jìn)一步拓展氯酸鈉晶體在新型光學(xué)器件設(shè)計(jì)及應(yīng)用等方面

59、提供可靠的依據(jù)。</p><p>　　但是，隨著現(xiàn)代光纖通信、光傳感技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光學(xué)濾波器的調(diào)諧響應(yīng)速度、插入損耗、器型尺寸和帶寬提出了更高的要求。對(duì)此，有必要通過對(duì)晶體表明作拋光、鍍膜處理和使用高偏振度的偏振器以提高透過率和隔離度。另外還可通過將濾波器級(jí)聯(lián)，以獲得更窄的帶寬，還可在中間插入液晶等元件，以實(shí)現(xiàn)電致開關(guān)和調(diào)諧，故而提高響應(yīng)速度。</p><p><b>　　參考文

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