基本信息
- 項目名稱：
- 大尺寸各向同性旋光晶體的光學特性研究與應用
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本作品首次對線偏振光在各向同性旋光晶體內部以Brewster角內反射時的偏振特性進行了研究。又基于上述研究，利用晶體的旋光色散的特性，研制出一種新型內反射旋光光學濾波器，它與傳統(tǒng)的旋光色散濾波器相比僅使用一個偏振片便達到了良好的濾波效果，結構簡單、精巧。故本文的研究為進一步設計小型化、高性能的光學濾波器提供了新的方法和思路，也為進一步拓展氯酸鈉晶體在新型光學器件設計及應用等方面提供了可靠的依據(jù)。
- 詳細介紹：
- 隨著光纖技術、光傳感技術的發(fā)展，光學濾波器在生產生活中的作用愈發(fā)重要，其作為一種波長選擇器件，在空間通訊、光譜分析、光纖通信、激光技術以及雷達技術等領域有著廣泛的應用。光學濾波器的種類頗多，近年又報道了一種基于石英晶體旋光色散效應所設計的光學濾波器，它將具有旋光色散效應的石英晶體與偏振器相結合來達到濾波效果。但另一方面，當前國內外基于晶體旋光色散特性所設計的光學濾波器報道較少且?guī)缀跫性谑⒕w。而石英晶體作為一種各向異性的晶體存在著雙折射現(xiàn)象，從某種程度上限制了他在光學濾波器上的進一步應用。而氯酸鈉晶體作為一種各向同性的旋光晶體，并不存在類似石英晶體的光軸，故其在內部沿各個方向傳輸時的光學特性能被更好地利用。另一方面，當前對氯酸鈉這類各向同性旋光晶體的研究主要集中在二次諧波特性及其理論、旋光原理和晶體的生長等方面，尚未見到有基于各項同性旋光晶體所設計或制作的光學器件的報道。本作品首次利用由水溶液法生長出的大尺寸氯酸鈉晶體（長30.62mm、寬29.60mm、高28.34mm），基于線偏振光在介質界面上以Brewster角反射時P分量沒有反射光的特性，研究了在氯酸鈉晶體和玻璃內部經(jīng)Brewster角反射之后，再經(jīng)全反射的出射光的光強與入射線偏光的偏振取向的關系。同時，又由于氯酸鈉晶體自身所具有的旋光色散特性，以及其各向同性，再次利用了Brewster角內反射時P分量沒有反射光的特性，設計并研制了一種新型內反射旋光光學濾波器，且經(jīng)過理論分析和實驗測試均表明該濾波器僅用單偏振片便能對于分立或者連續(xù)的光譜起到良好的濾波效果。而當前其他基于旋光色散的光學濾波器在原理上往往需要前后兩個偏振片配合旋光介質使用，故本作品較之其它光學濾波器在結構設計上更為簡單，精巧，而同時又具備優(yōu)異的濾波性能，為進一步設計小型化、高性能的光學濾波器提供了新的方法和思路。同時，還拓展了各向同性旋光晶體的研究思路，為進一步對各向同性旋光晶體作理論研究和器件設計提供了有價值的方法和參考。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 光學濾波器在光纖通信和光譜分析等領域有著非常重要的作用，近年來還報道了一種基于石英晶體旋光色散效應所設計的濾波器，然而目前，國內外對該類光學濾波器報道較少且?guī)缀跫性谑⒕w，而石英由于其各向異性，具有一定的不足，故本作品基于一種各向同性的旋光晶體氯酸鈉，在首先對其做了內反射時片振特性探究的基礎上，基于其各向同性和旋光色散特性設計并制作了一種新型的光學濾波器，僅用單偏振片，便達到了良好的濾波效果。
科學性、先進性及獨特之處
- 1.首次從理論和實驗上研究了氯酸鈉晶體以Brewster角內反射時的旋光光學特性。 2.首次基于各向同性旋光晶體設計并制作了一種光學器件——光學濾波器。較之一些利用旋光晶體設計的普通旋光光學濾波器，該器件原理上僅需一個偏振器用于起偏，省去了檢偏器，使結構更為簡單，更易于小型化。另經(jīng)Mueller矩陣的理論分析和實驗測試均具有良好的濾波性能。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 本作品探究了各向同性旋光晶體內反射時的偏振特性。還基于氯酸鈉晶體優(yōu)異的光學特性設計并研制的內反射旋光光學濾波器經(jīng)理論分析和實驗檢測，僅用一個偏振器就能對分立光譜和帶狀光譜起到良好的濾波效果。較之其它基于旋光色散原理設計的光學濾波器在結構上更為簡單，精巧，為進一步設計小型化、高性能的光學濾波器提供了新的方法和思路。同時，也為進一步對各向同性旋光晶體作理論研究和器件設計提供了有價值的方法和參考。
學術論文摘要
- 用標準水溶液法生長出的氯酸鈉晶體，用線偏振的He-Ne激光入射到氯酸鈉晶體，使在其內部以Brewster角內反射并再經(jīng)過全反射出射。從理論和實驗的兩方面對該大尺寸氯酸鈉晶體內反射時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，基于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角內反射時P分量反射率為零的特性，研制出一種新型內反射旋光光學濾波器，該光學濾波器僅需采用單個偏振片，即可達到良好的濾波效果。利用Mueller矩陣對該濾波器的濾波特性進行理論分析以及實驗測試，結果表明對含有532nm和632.8nm譜線的線偏振光，改變起偏器角度即可連續(xù)調制出射紅、綠光的光強，當起偏器較初始位置旋轉過133.36°和173.06°時，綠光和紅光分別消光，綠光和紅光的隔離度可達10dB。同時，測試了該濾波器對一般帶狀光譜的濾波效果，得出通過旋轉起偏器，能夠連續(xù)調制出射光譜線的峰值波長。
獲獎情況
- 1.張 斌, 譚炳輝, 潘雪豐, 潘建國, 陶衛(wèi)東, 大尺寸旋光晶體內反射偏振特性的研究, 光學儀器, Vol. 32, No. 1, 54~58, 2010. 2.張 斌, 潘雪豐, 陶衛(wèi)東, 新型內反射旋光光學濾波器研究, 物理學報, Vol. 32, No. 5, 054214, 2011. 3.張 斌, 潘雪豐, 陶衛(wèi)東, 董建峰，一種可調諧旋光光學濾波器, 實用新型專利，專利號：ZL201120005888.X.
鑒定結果
- 無
參考文獻
- [1]馮偉偉, 宋連科, 陳立剛, 旋光晶體中圓偏振光折射率與波長的關系探討[J]. 激光技術, 2004, 28(6): 639~640/644. [2]陶衛(wèi)東, 章 慧, 方雪明, 王 芳, 張子方, 白貴儒.氯酸鈉晶體的CD光譜及ORD特性研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2006, 26(1): 134~136. [3]Chun Ye. Wavelength-tunable spectral filters based on the optical rotatory dispersion effect [J]. Applied Optics, 2003, 42(22): 4505~4513. [4]Chun Ye. Low-loss tunable filter based on optical rotatory dispersion [J]. Applied Optics, 2006, 45(6): 1162~1168. [5]Shan Zhang, Fuquan Wu, Wendi Wu, Haifeng Wang, Quartz optical filter for wavelength selection of frequency-doubled laser based on optical rotatory dispersion effect[J]. Chinese Optics Letters, 2007, 5(12): 717~719. [6]張 姍, 吳福全, 吳聞迪, 多級石英晶體旋光光學濾波器的濾波特性 [J]. 物理學報, 2008, 57(8): 5020~5025. [7]張姍, 吳福全, 蘇富芳, 吳聞迪, 邵俊平, 洪芳, 石英晶體旋光光學濾波器的特征參量[J]. 光學學報, 2008, 28(11): 2215~2219.
同類課題研究水平概述
- 當前，基于石英晶體的旋光色散特性的光學濾波器在國內外已有所報道，如03芬蘭Oulu大學的C. Ye設計了一種可調諧的多級石英晶體旋光光學濾波器，其將多個厚度成比例的旋光器依次放置在數(shù)個偏振片之間構成的，以通過改變?yōu)V波器中每級出射偏振器的方位角對出射光進行調諧，具有透射率高和無使用波段限制等優(yōu)點。在06年，C. Ye將該濾波器內部的偏振器換成1/4波片，實現(xiàn)了較高的透過率。08年，曲阜師大的張珊等人，對C. Ye所設計的濾波器的濾波特性作了進一步分析，探究了該型濾波器通帶寬度與石英晶體級數(shù)之間的關系，還將該濾波器的原型用于倍頻效應的實驗，取得了一定效果。然而，由于石英晶體所具有的各向異性，將其用于濾波器中時，需嚴格考慮光軸方向，對實際石英晶體的加工要求也較高，且往往需要兩個偏振片與石英晶體組合才能具有基本的濾波能力，故器型較大，限制了它的小型化的應用。另一方面，氯酸鈉等各向同性旋光晶體由于其特有的性能，長時間來一直受到較多學者的關注，如1951年，G. N. Ramachandrn等人首次從理論上近似模擬了氯酸鈉和溴酸鈉晶體的旋光率。1968年，哈佛的H. J. Simon與其同事報道了氯酸鈉和溴酸鈉晶體的非線性效應，即二次諧波的產生。1971年，牛津的C. R. Jeggo也報道了氯酸鈉晶體非線性效應和旋光現(xiàn)象的理論研究。1998年，A. A. Kaminskii對將氯酸鈉晶體用作喇曼激光介質作了研究。同年，中科院應用化學長春研究所的D. F. Xue和其同事對光活性晶體氯酸鈉和溴酸鈉的非線性效應的理論作了進一步研究。01年，S. Mahurin等人對通過蒸發(fā)水溶液法所生長的氯酸鈉晶體在β射線下的特性作了研究。06年，寧波大學的陶衛(wèi)東等人報道了對于可見光波段的氯酸鈉晶體的旋光色散特性及圓二色性的研究，進一步從實驗上驗證了氯酸鈉晶體的各向同性的特性。然而限于氯酸鈉晶體的實際尺寸，使得當前對各項同性氯酸鈉晶體的各種光學特性研究還不夠全面和深入，對基于氯酸鈉晶體的光學器件的研究還未有報道，可見，當前對于該領域還有待進一步研究。而本課題基于氯酸鈉晶體的各向同性和旋光色散特性，利用線偏振光以Brewster角內反射時P分量反射率為零的特性，研制出一種新型內反射旋光光學濾波器，該光學濾波器僅需采用單個偏振片，即可達到良好的濾波效果，因而具有較好的應用前景和學術價值。
