基本信息
- 项目名称：
- 大尺寸各向同性旋光晶体的光学特性研究与应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品首次对线偏振光在各向同性旋光晶体内部以Brewster角内反射时的偏振特性进行了研究。又基于上述研究，利用晶体的旋光色散的特性，研制出一种新型内反射旋光光学滤波器，它与传统的旋光色散滤波器相比仅使用一个偏振片便达到了良好的滤波效果，结构简单、精巧。故本文的研究为进一步设计小型化、高性能的光学滤波器提供了新的方法和思路，也为进一步拓展氯酸钠晶体在新型光学器件设计及应用等方面提供了可靠的依据。
- 详细介绍：
- 随着光纤技术、光传感技术的发展，光学滤波器在生产生活中的作用愈发重要，其作为一种波长选择器件，在空间通讯、光谱分析、光纤通信、激光技术以及雷达技术等领域有着广泛的应用。光学滤波器的种类颇多，近年又报道了一种基于石英晶体旋光色散效应所设计的光学滤波器，它将具有旋光色散效应的石英晶体与偏振器相结合来达到滤波效果。但另一方面，当前国内外基于晶体旋光色散特性所设计的光学滤波器报道较少且几乎集中在石英晶体。而石英晶体作为一种各向异性的晶体存在着双折射现象，从某种程度上限制了他在光学滤波器上的进一步应用。而氯酸钠晶体作为一种各向同性的旋光晶体，并不存在类似石英晶体的光轴，故其在内部沿各个方向传输时的光学特性能被更好地利用。另一方面，当前对氯酸钠这类各向同性旋光晶体的研究主要集中在二次谐波特性及其理论、旋光原理和晶体的生长等方面，尚未见到有基于各项同性旋光晶体所设计或制作的光学器件的报道。本作品首次利用由水溶液法生长出的大尺寸氯酸钠晶体（长30.62mm、宽29.60mm、高28.34mm），基于线偏振光在介质界面上以Brewster角反射时P分量没有反射光的特性，研究了在氯酸钠晶体和玻璃内部经Brewster角反射之后，再经全反射的出射光的光强与入射线偏光的偏振取向的关系。同时，又由于氯酸钠晶体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角内反射时P分量没有反射光的特性，设计并研制了一种新型内反射旋光光学滤波器，且经过理论分析和实验测试均表明该滤波器仅用单偏振片便能对于分立或者连续的光谱起到良好的滤波效果。而当前其他基于旋光色散的光学滤波器在原理上往往需要前后两个偏振片配合旋光介质使用，故本作品较之其它光学滤波器在结构设计上更为简单，精巧，而同时又具备优异的滤波性能，为进一步设计小型化、高性能的光学滤波器提供了新的方法和思路。同时，还拓展了各向同性旋光晶体的研究思路，为进一步对各向同性旋光晶体作理论研究和器件设计提供了有价值的方法和参考。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 光学滤波器在光纤通信和光谱分析等领域有着非常重要的作用，近年来还报道了一种基于石英晶体旋光色散效应所设计的滤波器，然而目前，国内外对该类光学滤波器报道较少且几乎集中在石英晶体，而石英由于其各向异性，具有一定的不足，故本作品基于一种各向同性的旋光晶体氯酸钠，在首先对其做了内反射时片振特性探究的基础上，基于其各向同性和旋光色散特性设计并制作了一种新型的光学滤波器，仅用单偏振片，便达到了良好的滤波效果。
科学性、先进性及独特之处
- 1.首次从理论和实验上研究了氯酸钠晶体以Brewster角内反射时的旋光光学特性。 2.首次基于各向同性旋光晶体设计并制作了一种光学器件——光学滤波器。较之一些利用旋光晶体设计的普通旋光光学滤波器，该器件原理上仅需一个偏振器用于起偏，省去了检偏器，使结构更为简单，更易于小型化。另经Mueller矩阵的理论分析和实验测试均具有良好的滤波性能。
应用价值和现实意义
- 本作品探究了各向同性旋光晶体内反射时的偏振特性。还基于氯酸钠晶体优异的光学特性设计并研制的内反射旋光光学滤波器经理论分析和实验检测，仅用一个偏振器就能对分立光谱和带状光谱起到良好的滤波效果。较之其它基于旋光色散原理设计的光学滤波器在结构上更为简单，精巧，为进一步设计小型化、高性能的光学滤波器提供了新的方法和思路。同时，也为进一步对各向同性旋光晶体作理论研究和器件设计提供了有价值的方法和参考。
学术论文摘要
- 用标准水溶液法生长出的氯酸钠晶体，用线偏振的He-Ne激光入射到氯酸钠晶体，使在其内部以Brewster角内反射并再经过全反射出射。从理论和实验的两方面对该大尺寸氯酸钠晶体内反射时的偏振特性做了研究，发现在消光位置，氯酸钠晶体入射光的偏振取向较之普通玻璃的入射光偏振取向旋过了87.43°。同时，基于氯酸钠晶体的各向同性和旋光色散特性，首次利用线偏振光以Brewster角内反射时P分量反射率为零的特性，研制出一种新型内反射旋光光学滤波器，该光学滤波器仅需采用单个偏振片，即可达到良好的滤波效果。利用Mueller矩阵对该滤波器的滤波特性进行理论分析以及实验测试，结果表明对含有532nm和632.8nm谱线的线偏振光，改变起偏器角度即可连续调制出射红、绿光的光强，当起偏器较初始位置旋转过133.36°和173.06°时，绿光和红光分别消光，绿光和红光的隔离度可达10dB。同时，测试了该滤波器对一般带状光谱的滤波效果，得出通过旋转起偏器，能够连续调制出射光谱线的峰值波长。
获奖情况
- 1.张 斌, 谭炳辉, 潘雪丰, 潘建国, 陶卫东, 大尺寸旋光晶体内反射偏振特性的研究, 光学仪器, Vol. 32, No. 1, 54~58, 2010. 2.张 斌, 潘雪丰, 陶卫东, 新型内反射旋光光学滤波器研究, 物理学报, Vol. 32, No. 5, 054214, 2011. 3.张 斌, 潘雪丰, 陶卫东, 董建峰，一种可调谐旋光光学滤波器, 实用新型专利，专利号：ZL201120005888.X.
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]冯伟伟, 宋连科, 陈立刚, 旋光晶体中圆偏振光折射率与波长的关系探讨[J]. 激光技术, 2004, 28(6): 639~640/644. [2]陶卫东, 章 慧, 方雪明, 王 芳, 张子方, 白贵儒.氯酸钠晶体的CD光谱及ORD特性研究[J]. 光谱学与光谱分析, 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]张 姗, 吴福全, 吴闻迪, 多级石英晶体旋光光学滤波器的滤波特性 [J]. 物理学报, 2008, 57(8): 5020~5025. [7]张姗, 吴福全, 苏富芳, 吴闻迪, 邵俊平, 洪芳, 石英晶体旋光光学滤波器的特征参量[J]. 光学学报, 2008, 28(11): 2215~2219.
同类课题研究水平概述
- 当前，基于石英晶体的旋光色散特性的光学滤波器在国内外已有所报道，如03芬兰Oulu大学的C. Ye设计了一种可调谐的多级石英晶体旋光光学滤波器，其将多个厚度成比例的旋光器依次放置在数个偏振片之间构成的，以通过改变滤波器中每级出射偏振器的方位角对出射光进行调谐，具有透射率高和无使用波段限制等优点。在06年，C. Ye将该滤波器内部的偏振器换成1/4波片，实现了较高的透过率。08年，曲阜师大的张珊等人，对C. Ye所设计的滤波器的滤波特性作了进一步分析，探究了该型滤波器通带宽度与石英晶体级数之间的关系，还将该滤波器的原型用于倍频效应的实验，取得了一定效果。然而，由于石英晶体所具有的各向异性，将其用于滤波器中时，需严格考虑光轴方向，对实际石英晶体的加工要求也较高，且往往需要两个偏振片与石英晶体组合才能具有基本的滤波能力，故器型较大，限制了它的小型化的应用。另一方面，氯酸钠等各向同性旋光晶体由于其特有的性能，长时间来一直受到较多学者的关注，如1951年，G. N. Ramachandrn等人首次从理论上近似模拟了氯酸钠和溴酸钠晶体的旋光率。1968年，哈佛的H. J. Simon与其同事报道了氯酸钠和溴酸钠晶体的非线性效应，即二次谐波的产生。1971年，牛津的C. R. Jeggo也报道了氯酸钠晶体非线性效应和旋光现象的理论研究。1998年，A. A. Kaminskii对将氯酸钠晶体用作喇曼激光介质作了研究。同年，中科院应用化学长春研究所的D. F. Xue和其同事对光活性晶体氯酸钠和溴酸钠的非线性效应的理论作了进一步研究。01年，S. Mahurin等人对通过蒸发水溶液法所生长的氯酸钠晶体在β射线下的特性作了研究。06年，宁波大学的陶卫东等人报道了对于可见光波段的氯酸钠晶体的旋光色散特性及圆二色性的研究，进一步从实验上验证了氯酸钠晶体的各向同性的特性。然而限于氯酸钠晶体的实际尺寸，使得当前对各项同性氯酸钠晶体的各种光学特性研究还不够全面和深入，对基于氯酸钠晶体的光学器件的研究还未有报道，可见，当前对于该领域还有待进一步研究。而本课题基于氯酸钠晶体的各向同性和旋光色散特性，利用线偏振光以Brewster角内反射时P分量反射率为零的特性，研制出一种新型内反射旋光光学滤波器，该光学滤波器仅需采用单个偏振片，即可达到良好的滤波效果，因而具有较好的应用前景和学术价值。
