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基于偏振调控的全息实验设计

实验室研究与探索 2022年第11期41卷 76-80页

作者：吴高建陆蓉儿张勇张炳林陈津江南京工业大学数理科学学院南京211816

基于液晶空间光调制器,探索了傅里叶全息成像及偏振光场调控的新方法。实验包括Matlab GUI仿真和光路搭建测试两部分,通过可视化界面设计参数并模拟计算全息图,再利用单个空间光调制器加载全息图,有选择性地针对入射光的偏振方向调控光... 详细信息

基于液晶空间光调制器,探索了傅里叶全息成像及偏振光场调控的新方法。实验包括Matlab GUI仿真和光路搭建测试两部分,通过可视化界面设计参数并模拟计算全息图,再利用单个空间光调制器加载全息图,有选择性地针对入射光的偏振方向调控光波相位。结合光场的矢量特性,从理论和实验探索了傅里叶全息成像原理以及不同入射光偏振化方向下的全息成像规律,从而实现偏振复用的特殊全息光学成像功能。相较于传统的光学全息成像实验,这一基于空间光调制器的偏振全息成像系统具有结构简单、操作方便和成像速度快的优点。

关键词：偏振调控傅里叶全息成像液晶空间光调制器

基于偏振调控腔内增益的Nd:YVO4激光器特性研究

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基于偏振调控腔内增益的Nd:YVO4激光器特性研究

作者：毛洁长春理工大学

学位级别：硕士

激光模式是描述激光特性和激光器工作状态的重要概念。本文采用偏振调控腔内增益实现激光在宽范围内稳定输出的方法进行理论和实验方面的研究。通过理论分析得出腔内调控能够实现输出功率变化,实验搭建平台重点是研究腔内调控方式的可... 详细信息

激光模式是描述激光特性和激光器工作状态的重要概念。本文采用偏振调控腔内增益实现激光在宽范围内稳定输出的方法进行理论和实验方面的研究。通过理论分析得出腔内调控能够实现输出功率变化,实验搭建平台重点是研究腔内调控方式的可实现性,并且与外腔情况作对比,最后通过实验对腔内调控进行评估。在理论研究上,通过分析得出偏振调控腔内增益能够实现输出功率在宽范围内的改变。建立了偏振调控腔内增益Nd:YVO输出功率的热源表达式,模拟研究了合成增益与偏振角度与输出功率之间的关系。为偏振调控腔内增益Nd:YVO激光器是能够实现宽输出功率调节下激光模式的稳定提供理论依据。在实验研究上,首先搭建了常规激光器实验平台,主要是使用端面泵浦808 nm光纤耦合激光器作为信号源,利用激光增益介质Nd:YVO晶体的偏振特性以确保输出产生线偏振光,并验证了激光增益介质Nd:YVO晶体的放置方向及偏振方向性。在此基础上,构造了偏振调控腔内合成增益的Nd:YVO激光器的实验器件,分别测量了在改变泵浦输入功率和恒定泵浦输入功率条件下的输出功率、激光模式光斑变化,实验获得了泵浦输入功率恒定在5 W、10 W和15 W时分别得到了0.08 W-0.57 W、0.21 W-2.11 W和0.23 W-3.36 W一定范围内的可调节输出功率,在最大输入功率15 W时光-光转换效率为22.4%。并对腔内、腔外两种方法进行了在定点注入功率下(5 W、10 W和15 W)光斑变化的测量。发现在输入功率10 W恒定不变腔内调控增益的情况下,光斑半径在宽范围输出功率保持稳定,而且晶体的热效应对系统并无影响,也可保持谐振腔的稳定状态。

关键词：偏振调控 Nd:YVO4晶体合成增益输出稳定性

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基于双波片的偏振调控和偏振测量技术

红外与毫米波学报 2017年第4期36卷 425-431页

作者：李亚红付跃刚贺文俊刘智颖长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

针对双波片偏振调控结构,基于Stokes-Mueller矩阵偏振算法,对双1/4波片和双1/2波片的偏振调控机理作了详尽的理论分析,得出调控偏振态与双波片快轴方向之间的关系,并追迹其在庞加莱球上的运动轨迹.基于双波片调控结构搭建偏振测量系统,... 详细信息

针对双波片偏振调控结构,基于Stokes-Mueller矩阵偏振算法,对双1/4波片和双1/2波片的偏振调控机理作了详尽的理论分析,得出调控偏振态与双波片快轴方向之间的关系,并追迹其在庞加莱球上的运动轨迹.基于双波片调控结构搭建偏振测量系统,根据入射和出射Stokes矢量构建了投影关系矩阵算法,完成了待测元件Mueller矩阵的测量,并分析了波片的快轴方向误差和位相延迟误差对Mueller矩阵测量结果以及对出射偏振态调控精度的影响.分析结果表明:波片的快轴方向误差控制在±2°内,位相延迟误差不大于λ/300时,Mueller矩阵的最大测量误差为0.040 2,波片自身误差对测量结果的影响可以忽略不计;波片自身误差所引起的方位角误差不大于0.16rad时,快轴方向误差引起的椭率角误差最大不超过0.032 rad,位相延迟误差导致的椭率角误差小于0.015 rad,且对偏振度无影响.

关键词：双波片 Stokes-Mueller矩阵偏振调控偏振测量投影关系矩阵

基于S波片和双延迟器的矢量光场偏振调控方法

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红外与激光工程 2018年第12期47卷 319-326页

作者：贺文俊贾文涛李亚红王祺付跃刚长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

基于S波片和双延迟器的偏振特性,提出了一种矢量光场的生成及偏振调控方法,该方法能够将标量高斯光束转换为偏振态分布可调谐的矢量光束。结合Stokes-Mueller矩阵算法,建立了矢量光场偏振调控的数学模型,并仿真计算出标量高斯光束经过S... 详细信息

基于S波片和双延迟器的偏振特性,提出了一种矢量光场的生成及偏振调控方法,该方法能够将标量高斯光束转换为偏振态分布可调谐的矢量光束。结合Stokes-Mueller矩阵算法,建立了矢量光场偏振调控的数学模型,并仿真计算出标量高斯光束经过S波片和双延迟器(包括双1/4波片和双1/2波片两种情况)后的偏振态空间分布。讨论了双延迟器相对旋转时光场偏振分布的演化规律及机理,实验结果与数值仿真结果相互吻合,表明该方法可以实现对标量相干光场的复杂偏振调控,验证了理论分析的正确性和该方法的可行性。

关键词：偏振矢量光场偏振调控 Stokes-Mueller矩阵波片

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可见/红外宽光谱分色片偏振调控的设计

光子学报 2011年第1期40卷 5-8页

作者：李大琪刘定权张凤山中国科学院上海技术物理研究所上海200083

针对光学系统中可见/红外宽光谱分色片的偏振特性,采用诱导透射法设计了满足偏振遥感光学系统能量要求的可见/红外宽光谱分色片,并对其偏振特性进行了分析.通过计算获得了透射带400~900 nm可见/红外宽光谱分色片的偏振情况,采用等效层... 详细信息

针对光学系统中可见/红外宽光谱分色片的偏振特性,采用诱导透射法设计了满足偏振遥感光学系统能量要求的可见/红外宽光谱分色片,并对其偏振特性进行了分析.通过计算获得了透射带400~900 nm可见/红外宽光谱分色片的偏振情况,采用等效层理论在其基底背面设计了偏振调控膜系,对分色片透射带的偏振度加以调控.使用needle优化算法,设定了不同优化目标,得到了三种不同的设计结果,在可见光波段的偏振度范围分别为0.013~0.0376、0.068~0.108和0.098~0.147.设计结果显示分色片透射带偏振特性在一定程度上可调,调控后可以满足系统对透射光在不同偏振度下的要求.

关键词：薄膜可见/红外宽光谱分色片对称等效层偏振调控

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硅基片上偏振调控器件研究

硅基片上偏振调控器件研究

作者：刘芯雨浙江大学

学位级别：硕士

进入21世纪以来,随互联网技术的发展以及各种智能终端的普及,尤其5G时代的到来,以及随之而来的物联网发展和云计算等新概念的引入,包括近期受新冠疫情刺激,新兴的线上服务业的蓬勃发展,人们工作和日常生活中对数据通信的速度、容量等需... 详细信息

进入21世纪以来,随互联网技术的发展以及各种智能终端的普及,尤其5G时代的到来,以及随之而来的物联网发展和云计算等新概念的引入,包括近期受新冠疫情刺激,新兴的线上服务业的蓬勃发展,人们工作和日常生活中对数据通信的速度、容量等需求日益增长。硅基光电子集成芯片,以其低损耗、结构紧凑、CMOS工艺兼容等一系列优势,作为新一代光通信、光互联的技术支持吸引着越来越多的关注和研究。目前已有很多成熟的可插拔光模块在数据中心等应用场景发挥着巨大的作用,但同时,我们也应认识到更高效更快速更大容量的硅基集成光子芯片仍然是我们发展的方向和急需攻克的难题,为此,我们仍要进一步提升其器件性能、降低波导损耗、进一步扩大光互联的数据传输容量。其中,光无源器件作为一种技术相对成熟,已有大量性能优越的可工业投产的结构器件,拥有非常广阔的发展前景。光无源器件是一种不需要借助外部光或电的能量,由自身能够完成某种光学功能的光学元器件。应用光无源器件,我们可以发展多维混合复用技术,极大的提升信息传输的速率。而偏振态,作为一种光的重要属性,一直备受关注。本文中,我们面向多维混合复用技术中的偏振复用,分别提出了面向目前通信常用波段C波段,新兴波段O波段,以及即将发展的2μm波段的偏振调控器件,为应用在不同的偏振调控场景,分别设计了不同功能的偏振调控器件,包括偏振分束器,偏振旋转器,以及偏振旋转-分束器。为解决片上偏振敏感问题提供了完备的解决办法。首先,针对偏振分束器方面:我们面向2μm波段,提出了一种基于弯曲的非定向耦合器与槽型波导结合的,全新结构的偏振分束器,该结构显著增大了 TE偏振态的折射率失配,在保证TM偏振态耦合的前提下,完全抑制了 TE偏振态的耦合。该器件最小线宽180nm,保证了与目前成熟的光刻工艺兼容,为器件工业化批量生产提供了便利。利用该结构,仿真实现了 195nm带宽范围内,TM偏振态消光比大于15dB且损耗小于0.5dB,同时,TE偏振态消光比更是可以超过30dB,取得了非常良好的结果。针对实际加工测试结果,也保证了120nm带宽范围内TM偏振态消光比大于15dB,TE偏振态消光比大于20dB;同时TE、TM偏振态的损耗均小于0.5dB的优秀性能。实现了工作在2μm波段,大带宽,高性能的全新偏振分束器结构。其次,在偏振分束器的新原理新设计思路方向,我们面向C波段这一常见通信波段,利用亚波长光栅结构,将SOI平台转化为各向异性介质,对不同偏振态,具备不同的耦合系数,并以此为理论,制造出了只对TM-偏振态出现耦合状态,TE-偏振态完全不耦合的一种新型PBS结构,该PBS器件对于TE-偏振态,具有100nm带宽范围内消光比一直大于40dB的优秀性能。同时,利用这一结构,我们可以在SiN平台上完成类似的偏振分束器的设计,为解决包层芯层折射率差很小时的偏振分束器结构提供了设计思路。第三,针对偏振旋转器方面:我们面向目前常用的光通信波段C波段,提出了一种基于锥形渐变的槽型波导结构,该结构基于超模演化理论,相较于目前已有的硅基片上偏振旋转器结构,具有大带宽,低损耗的优点。我们针对最小线宽180nm和最小线宽150nm,分别设计了两组偏振旋转器参数,针对最小线宽180nm的成熟光刻工艺兼容偏振旋转器,仿真验证工作中心波长的最大消光比可达48dB,同时保证100nm带宽范围内消光比大于12dB。并完成了相应的器件加工制造,测得性能100nm带宽范围内消光比大于10dB,同时损耗小于1dB。为获得更好的宽带性能,我们将最小线宽降到150nm,并得到了 100nm带宽范围内消光比大于20dB的大带宽超高消光比偏振旋转器仿真性能。第四,针对偏振旋转-分束器方面:我们面向目前色散损耗最低的O波段,提出了一种使用粒子群算法优化的超紧凑型偏振旋转-分束器结构。相较于目前已有结构,该偏振旋转-分束器在保持大带宽、高消光比、低损耗的前提下,将正常情况下几百μm长度的器件尺寸缩小到60μm。为将来如何在固定芯片尺寸前提下,更加紧凑的排布器件,增加器件个数提供了解决方法。最后,对全文的主要工作做出了总结,并对硅基片上偏振调控工作做出展望。

关键词：硅基光子学偏振分束偏振旋转偏振调控

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超表面对电磁波偏振调控的研究

超表面对电磁波偏振调控的研究

作者：蔡晓东上海工程技术大学

学位级别：硕士

对于光来说,由于其所具有的基本物理属性,可以被用来作为信息的载体。不仅如此,人们还可以通过光的传播方向来感知空间结构,例如全息显示就是一种依赖于光的空间相位信息的三维显示。偏振态,作为描述光的特性的重要参数之一,也是光的一... 详细信息

对于光来说,由于其所具有的基本物理属性,可以被用来作为信息的载体。不仅如此,人们还可以通过光的传播方向来感知空间结构,例如全息显示就是一种依赖于光的空间相位信息的三维显示。偏振态,作为描述光的特性的重要参数之一,也是光的一种基本物理属性。但是,由于缺乏宽带高效及高自由度的偏振调控器件,偏振光尚未被广泛应用于传递空间信息。对于光的偏振态的调控,已经在广泛的应用中起着关键作用。基于一些传统的偏振调控器件(如半波片、四分之一波片)实现偏振调控功能,需要入射特定的线偏振光,并且半波片对于线偏振光仅能将其偏振面旋转90°,无法实现高自由度的偏振调控。如果可以实现高自由度的宽带偏振旋转器,可以通过调整不同空间位置的偏振方向来传递空间信息。这种类型的集成偏振旋转器可能在分析化学、生物学、通信技术、成像等领域具有广泛的应用。本论文针对实现对电磁波高自由度偏振调控的问题,取得了以下主要成果:1.基于全介质超表面提出了一种新的实现宽带高效的偏振旋转器,其结构等效于双四分之一波片的叠加,结构的一半可以实现线偏振光与圆偏振光之间的转换,通过旋转其中一个四分之一波片的方向即可实现高自由度偏振旋转。2.设计了一种非手性全介质偏振旋转器,在一个单晶胞中包含两个四分之一波片,以产生左旋圆偏振光和右旋圆偏振光,在此基础上以通过控制单晶胞中一个硅天线的几何参数实现从0°到90°连续控制透射偏振角的线性偏振光。3.基于V形金属天线结构设计了一个周期内相位变化为3?2?的高阶模式超表面和一个周期内仅由四个V形天线组成的短周期模式超表面结构,通过这两种线性相位梯度超表面结构的设计,可以对入射光实现较大的偏折角。4.提出了一种全介质多功能波片,基于二维全介质手性超表面的思想,对于入射的左旋圆偏振光几乎全透射,对于入射的右旋圆偏振几乎全反射,且透反射光均为相反旋向的圆偏振光,当任意偏振方向的线偏振光正入射到所设计的结构时,可以将入射的线偏振光分解为幅值相等,旋向相反的两种完美的圆偏振光,实现了一种新的对线偏振光进行分解的方法。

关键词：电磁波超表面偏振调控手性波片

金属纳米狭缝阵列的偏振调控及其传感特性研究

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金属纳米狭缝阵列的偏振调控及其传感特性研究

作者：成建新南京信息工程大学

学位级别：硕士

表面等离激元是一种沿金属表面传播并周期性振荡的电子疏密波,由入射光的光子与金属结构表面的自由电子相互作用而产生。表面等离激元具备破坏衍射极限的特性,可在单个纳米器件上实现光特性和电特性的集成,也可在环境检测、太阳能电池... 详细信息

表面等离激元是一种沿金属表面传播并周期性振荡的电子疏密波,由入射光的光子与金属结构表面的自由电子相互作用而产生。表面等离激元具备破坏衍射极限的特性,可在单个纳米器件上实现光特性和电特性的集成,也可在环境检测、太阳能电池以及生物医学等多领域实现应用。本论文研究了周期性金属纳米结构的光学特性,探索了其传感性能,以下是本论文的主要工作:提出了一种利用微球自组装技术制备具有偏振调控光学特性的金属纳米狭缝型微结构。该结构以聚苯乙烯微球薄膜为掩膜版,通过将样品倾斜后对其进行真空蒸发镀膜制备所得。对该结构透射光谱与入射偏振角度的关系进行测量,发现其具备偏振调控的光学特性。利用时域有限差分法,对该结构的透射光谱和共振波长处的电场强度分布进行仿真计算,并探究结构中存在的表面等离激元模式。通过在仿真计算中调节结构参数,研究结构参数对透射光谱的影响,同时仿真计算该结构的折射率传感灵敏度可达992nm/RIU。提出并制备了一种基于银纳米光栅结构的相对湿度传感器。通过对普通CD和DVD光盘剥离清洗,得到两种不同形貌的聚碳酸酯层基底,再在此基底上进行磁控溅射获得银纳米光栅。同样对银纳米光栅进行反射光谱和共振波长处电场强度分布的仿真计算,调整光栅狭缝宽度和深度研究其对反射光谱的影响。进一步对两种银纳米光栅的环境折射率传感性能进行了测试,传感灵敏度分别可达到517 nm/RIU和742.9 nm/RIU。经过对比实验后,在传感性能较优的银纳米光栅表面旋涂二氧化硅湿敏材料,相对湿度传感灵敏度可达0.23 nm/%RH。

关键词：表面等离激元时域有限差分狭缝型微结构偏振调控相对湿度传感

基于二氧化钒超材料的太赫兹波幅值与偏振调控研究

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基于二氧化钒超材料的太赫兹波幅值与偏振调控研究

作者：杨朝晖桂林电子科技大学

学位级别：硕士

太赫兹波由于光子能量低、穿透力强、频带范围宽等特点,在宽带无线通信、生物传感、安全检查和光谱成像等领域有巨大应用前景。在太赫兹通信、成像、传感检测等应用领域都需要对太赫兹波幅值与偏振进行调控,传统自然材料由于尺寸限制,... 详细信息

太赫兹波由于光子能量低、穿透力强、频带范围宽等特点,在宽带无线通信、生物传感、安全检查和光谱成像等领域有巨大应用前景。在太赫兹通信、成像、传感检测等应用领域都需要对太赫兹波幅值与偏振进行调控,传统自然材料由于尺寸限制,对太赫兹波幅值与偏振的调控能力有限。超材料是一种周期性亚波长结构组成的人工电磁材料,基于超材料的太赫兹器件设计灵活、体积小、易于集成,已经成为太赫兹波调控器件研究重点之一。二氧化钒是一种热相变材料,在68℃会由绝缘态向金属态转变,这种特殊性质可用于构建可重构超材料,实现对太赫兹波参量的的动态调控。本文研究基于二氧化钒的太赫兹波幅值与偏振调控,主要工作如下:1.对太赫兹超材料的理论进行系统研究,分析了二氧化钒在太赫兹波段的色散模型并进行了仿真建模。构建了基于二氧化钒的超材料,研究了超材料对太赫兹波传输与反射的影响。2.设计并制作了基于二氧化钒超材料的太赫兹波幅值调控器件,用太赫兹时域光谱系统对样片进行了测试。结果表明:(1)器件未加电时的透射谱为一个通带,其下限截止频率为0.33 THz,上限截止频率为1.17 THz,位于0.7 THz处的峰值为0.63,半峰全宽为0.58 THz;(2)器件加电时,在0.4 A电流下二氧化钒发生相变,太赫兹波透射峰值幅度由0.63降低至0.13,调制深度达到了79%,并且断电后可以很好的恢复到加电前的状态。同时,通过对测试数据处理得到了二氧化钒在器件中产生的磁滞回线,发现器件的磁滞效应很小。因此,该器件可实现太赫兹波透射幅值的动态调控。3.设计了基于二氧化钒超材料的反射式太赫兹波交叉偏振转换器,通过控制二氧化钒相变来改变交叉偏振转换的带宽。在1.58-2.08 THz范围内实现了交叉偏振转换,偏振转换率达到了95%。通过改变二氧化钒电导率使偏振转换的带宽由0.5 THz变为0.04 THz,相对带宽由27%降低到1.9%。通过对器件表面电流的分析,发现宽带偏振转换是由三个谐振频点叠加产生,二氧化钒使带宽变窄是由于相变导致其中两个谐振消失。同时,还分析了器件介质层厚度与入射波偏振角度对反射波的影响。本文的设计思路与方法对太赫兹波主动调控器件的研发有十分重要的参考价值。

关键词：太赫兹超材料二氧化钒幅值调控偏振调控