CN112666699A - 一种与方位角无关的偏振转化装置、实验装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方位角无关的偏振转化装置、实验装置及使用方法，其中，该偏振转化装置仅由两个相对旋转角度为45°的传统二分之一波片简单构成，其中，两个二分之一波片的中心在一条直线上，且两个二分之一波片垂直于该条线。当横磁波入射时，无需调节二分之一波片光轴与入射面的方位角，横磁波透过两个相对旋转角为45°的二分之一波片便可偏振转化为横电波，实现两种线偏振之间与方位角无关的转化，且不同方位角下横电分量透射率的平均值高达0.93，该装置将有望促进传统二分之一波片的发展更新以及简化光学实验。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波偏振转化技术领域，特别涉及一种与方位角无关的偏振转化装置、实验装置及使用方法。
背景技术
偏振态是电磁波的重要特征之一，可以分为线偏振、圆偏振等。不同的偏振状态在不同场景中有所应用，例如目标探测、卫星通信、雷达抗干扰等。因此实现偏振的自由调控是十分有意义的。
二分之一波片(Half-wave plates，HWPs)是一种传统的偏振转化光学器件，它可以有效的调控线偏振的偏振状态以及圆偏振的旋向。但是目前使用二分之一波片进行偏振调控时存在如下两方面问题。第一，传统的HWP是采用双折射晶体，这将使得两个偏振态正交的波之间发生相位延迟，进而导致HWP受到厚度和带宽的限制。第二，由于HWP的面内各向异性，偏振转换与方位角密切相关，并且仅当HWP的入射面与光轴之间的夹角为45°时，才能发生完美的偏振转换。这在实际实验操作是是极为不便的，不仅耗时而且还有可能在调节过程中出现误差。大量的研究成果表明，问题一可以通过人工构造超材料和超表面的方式解决。对于问题二，有研究人员提出使用四个HWPs才能实现全方位角的完美偏振转化。对于线偏振来说，横磁波(TM)和横电波(TE)之间与方位角无关的偏振转换在实现与偏振无关的角度选择性方面具有实际应用。但是目前已有的方法结构复杂，方位角依赖性强、转化率低等问题在实际中将降低系统的有效性和集成度。因此，设计一款结构简单、方位角无关以及转化效率高的偏振转化装置是十分有必要的。
发明内容
本发明提供一种与方位角无关的偏振转化装置，以用于解决现有偏振转化装置结构复杂，以及方位角敏感的技术问题。
本发明一方面实施例提供一种与方位角无关的偏振转化装置，包括：第一二分之一波片和第二二分之一波片，其中，所述第一二分之一波片的中心和所述第二二分之一波片的中心在一条直线上，所述第一二分之一波片和所述第二二分之一波片垂直于该条线，所述第一二分之一波片与所述第二二分之一波片之间相对旋转角为45°。
本发明另一方面实施例提供一种与方位角无关的偏振转化装置的实验装置，包括：上述偏振转化装置、激光器、分束器、第一光功率计、第二光功率计和处理器，其中，所述激光器用于发射横磁波；所述偏振转化装置置于所述激光器和所述分束器之间，用于使所述横磁波转化为横电波；所述分束器用于将所述偏振转化装置的透射波分为横电波分量和横磁波分量；所述第一光功率计和所述第二光功率计均置于所述分束器之后，所述第一光功率计用于测量所述横波电分量的强度，所述第二光功率计用于测量所述横磁波分量的强度；所述处理器与所述第一光功率计和所述第二光功率计连接，用于处理多个所述横电波分量的强度和所述横磁波分量的强度，获得不同方位角下横波分量透射率的平均值，进而确定所述偏振转化装置是否在任意方位角下实现完美偏振转化。
本发明又一方面实施例与方位角无关的偏振转化装置的实验装置使用方法，包括以下步骤：利用所述激光器发射横磁波；使所述横磁波透过所述偏振转化装置，得到透射波；经由所述分束器将所述透射波分成横磁波分量和横电波分量；利用所述第一光功率计和所述第二光功率计分别测量横磁波分量的强度和横电波分量的强度；改变方位角，测量多个方位角下的横磁波分量的强度和横电波分量的强度；通过所述处理器处理多个所述横电波分量的强度和所述横磁波分量的强度，获得不同方位角下横波波分量透射率的平均值，进而确定所述偏振转化装置是否在任意方位角下实现完美偏振转化。
本发明的技术方案，至少实现了如下有益的技术效果：
仅由两个相对旋转45°的传统的二分之一波片组成，便可实现全方位角的线偏振转化，解决了现有技术中需要手动调节二分之一波片光轴与入射面夹角的问题，且结构简单，简化了光学实验。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的与方位角无关的偏振转化装置结构示意图；
图2是本发明一个实施例的用于测量两个二分之一波片HWPs透射率的实验装置示意图；
图3是本发明一个实施例的经过一个传统HWP的透射率随方位角变化图；
图4是本发明一个实施例的经过本发明的偏振转化装置后透射率随方位角的变化图。
附图标记说明：10-方位角无关的偏振转化装置、1-第一二分之一波片、2-第二二分之一波片、3-激光器、4-分束器、5-第一光功率计和6-第二光功率计。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的一种与方位角无关的偏振转化装置、实验装置及使用方法。
图1是本发明一个实施例的与方位角无关的偏振转化装置结构示意图。
如图1所示，该装置10包括：第一二分之一波片1和第二二分之一波片2，其中，第一二分之一波片的中心和第二二分之一波片的中心在一条直线上，第一二分之一波片和第二二分之一波片垂直于该条线，且第一二分之一波片与第二二分之一波片之间相对旋转角为45°，当横磁TM波入射时，无需调节二分之一波片光轴与入射面的方位角，横磁波透过两个相对旋转角为45°的二分之一波片便可完美偏振转化为横电TE波。
其中，第一二分之一波片和第二二分之一波片结构一致，第一二分之一波片与第二二分之一波片均可移动，若第一二分之一波片位置改变，则第二二分之一波片也发生改变，保证两个二分之一波片之间旋转角为45°，若第二二分之一波片位置改变，则第一二分之一波片也发生改变，保证两个二分之一波片之间旋转角为45°。
需要说明的是，方位角在0°-360°中任一角度，横磁波与横电波之间均可偏振转化。
具体地，下面通过与方位角无关的偏振转化装置的实验装置对本发明提出的偏振转化装置的性能进行验证。
如图2所示，该与方位角无关的偏振转化装置的实验装置包括：第一二分之一波片1和第二二分之一波片2、激光器3、分束器4、第一功率计5、第二功率计6和处理器(图中未标出)。
其中，两个二分之一波片之间相对夹角为45°；激光器4的波长为为633nm，功率为1.5mW；分束器5用于将透过的光波(透射波)分成横磁TM分量和横电TE分量；第一功率计6用于测量横磁TM分量的强度；第二功率计7用于测量横电TE分量的强度。
具体实验过程为：激光器4发射一束波长为633nm、功率为1.5mW的线偏振波透过两个相对旋转角为45°的第一二分之一波片1和第二二分之一波片2，然后经由分束器将透射波经分成横磁TM分量和横电TE分量，接着使用第一功率计6和第二功率计7分别测量横磁TM分量和横电TE分量的强度，最后多次改变方位角，测量不同方位角下横磁TM、横电TE分量的强度，利用处理器处理上述数据得到不同方位角下横波分量透射率的平均值，进而确定是否在任意方位角下实现完美偏振转化。
进一步，本实验首先测量经过一个传统二分之一波片的TE和TM分量强度，如图3所示，图3(a)和(b)分别展现了三组TE和TM分量透射率实验数据，黑色实线为实际理论计算数据，由图可以看出实验数据基于本与其吻合。由此可知，经过一个传统的二分之一波片只有在45°、135°、225°和315°时才能实现两种偏振状态之间的完全转化，即一个传统二分之一波片的装置对方位角是十分敏感的。
进一步地，如图4所示，当入射波TM波经过本发明的偏振转化装置时，横电TE分量透射率最大值和最小值只差仅为0.06，因此横电TE分量透射率几乎与方位角无关。此外，由图可知，不同方位角下测量得到横电TE分量透射率的平均值高达0.93，结果表明可以在任意入射平面上实现几乎完美的偏振转换。因此，上述结果为基于两个相对旋转角为45°的二分之一波片HPWs实现方位角无关的偏振转换提供了有力的证据。在实施例中，本发明所提出的两个相对旋转角为45°HPWs的装置可以实现任意方位角的偏振转换，因此在光学实验中可避免手动校准光轴与入射面夹角的问题，进而提高光学实验的效率。
综上，本发明实施例提出的与方位角无关的偏振转化装置，通过两个相对旋转45°的传统的二分之一波片，便可实现方位角的线偏振转化，解决了现有技术中需要手动调节二分之一波片光轴与入射面夹角的问题，且结构简单，简化了光学实验，有望促进传统二分之一波片的发展更新以及简化光学实验。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种与方位角无关的偏振转化装置，其特征在于，包括：第一二分之一波片和第二二分之一波片，其中，所述第一二分之一波片的中心和所述第二二分之一波片的中心在一条直线上，所述第一二分之一波片和所述第二二分之一波片垂直于该条线，所述第一二分之一波片与所述第二二分之一波片之间相对旋转角为45°。
2.根据权利要求1所述的与方位角无关的偏振转化装置，其特征在于，所述第一二分之一波片和所述第二二分之一波片结构一致。
3.根据权利要求1所述的与方位角无关的偏振转化装置，其特征在于，所述第一二分之一波片与所述第二二分之一波片均可移动，若所述第一二分之一波片位置改变，则所述第二二分之一波片也发生改变，保证两个二分之一波片之间旋转角为45°，若所述第二二分之一波片位置改变，则所述第一二分之一波片也发生改变，保证两个二分之一波片之间旋转角为45°。
4.根据权利要求1所述的与方位角无关的偏振转化装置，其特征在于，当横磁波入射时，无需调节二分之一波片光轴与入射面的方位角，所述横磁波透过两个相对旋转角为45°的二分之一波片偏振转化为横电波。
5.根据权利要求4所述的与方位角无关的偏振转化装置，其特征在于，所述方位角在0°-360°中任一角度，所述横磁波与所述横电波之间均可相互偏振转化。
6.一种与方位角无关的偏振转化装置的实验装置，其特征在于，包括：上述权利要求1-5中任一项所述的偏振转化装置、激光器、分束器、第一光功率计、第二光功率计和处理器，其中，
所述激光器用于发射横磁波；
所述偏振转化装置置于所述激光器和所述分束器之间，用于使所述横磁波转化成横电波；
所述分束器用于将所述偏振转化装置的透射波分为横电波分量和横磁波分量；
所述第一光功率计和所述第二光功率计均置于所述分束器之后，所述第一光功率计用于测量所述横电波分量的强度，所述第二光功率计用于测量所述横磁波分量的强度；
所述处理器与所述第一光功率计和所述第二光功率计连接，用于处理多个所述横电波分量的强度和所述横磁波分量的强度，获得不同方位角下横波分量透射率的平均值，进而确定所述偏振转化装置是否在任意方位角下实现完美偏振转化。
7.一种与方位角无关的偏振转化装置的实验装置使用方法，其特征在于，基于权利要求6所述的实验装置，包括以下步骤：
利用所述激光器发射横磁波；
使所述横磁波透过所述偏振转化装置，得到透射波；
经由所述分束器将所述透射波分成横磁波分量和横电波分量；
利用所述第一光功率计和所述第二光功率计分别测量横磁波分量的强度和横电波分量的强度；
改变方位角，测量多个方位角下的横磁波分量的强度和横电波分量的强度；
通过所述处理器处理多个所述横电波分量的强度和所述横磁波分量的强度，获得不同方位角下横波分量透射率的平均值，进而确定所述偏振转化装置是否在任意方位角下实现完美偏振转化。
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