一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置及其優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置及其優化方法，測量裝置包括分束器和在分束器的兩個分光路上分別各自引入的波片、分光器件、兩個光電探測器。入射偏振光經分束器后，產生兩束偏振態不同的偏振光，這兩束偏振光再分別垂直入射到兩塊波片上，通過波片的位相調制作用，產生兩束具有新偏振態的光束；另外兩個分光器件將這兩束偏振光變成四束偏振光，并垂直入射到四個光電探測器上，產生相應的電流信號，調節兩塊波片的方位角至最佳方位角，能使儀器矩陣最優化。通過定標求解出儀器矩陣后，將待測光所引起的電流信號進行計算求解，可實現入射光斯托克斯參量的實時測量。本發明的結構和優化方法簡單，易于實現，測量精度高，適應性更強。
【專利說明】一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置及其優化方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學測量與計量【技術領域】，特別涉及一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置及其優化方法。
【背景技術】
[0002]光束偏振態的斯托克斯(stokes)參數的精確快速測量在工業、軍事及科學研究等方面有廣泛應用意義。偏振光斯托克斯參數橢偏儀就是典型的應用，它具有測量速度快、測量精度高等特點，在光學測量、薄膜及材料性質研究與光刻成像等許多領域有重要應用。測量光偏振態托克斯參數的裝置主要有:旋轉元件的光度法測量裝置及分振幅光偏振測量裝置(D0AP)。目前，國內外已經研制出十多種不同結構的分振幅光偏振測量裝置，主要有鍍膜分光器型、四探測器型、金屬光柵型、液晶型及光纖型等。1982年美國學者R.M.A.Azzam設計了第一臺利用振幅分割法測量光偏振的裝置(D0AP)，沒有任何轉動部件或調制器，結構簡單。但沒有對其結構進行優化設計。實際研究表明:對DOAP中的鍍膜分光鏡的設計參數是有一定要求的，這樣，系統才到達最優化，測量精確度才最高，穩定性最好，樣品適應性最強。但要獲得符合要求的鍍膜分光器，并非易事，要對鍍膜過程及參數進行精確設計及控制。針對振幅分割法測量光偏振的裝置存在的問題，在該結構的基礎上，本發明引進二塊有位相調制作用的波片，構建了基于位相調制的分振幅光偏振測量裝置，并提出了系統儀器矩陣的優化方法。
【發明內容】
為解決現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種分振幅偏振光斯托克斯參數的測量裝置及其優化方法，不但避免特殊及復雜的鍍膜或刻蝕工藝，而且能夠提高偏振光參數的可靠性、測量精度及適應性，具體技術方案如下。
[0003]一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置，其包括將入射光分為透射光及反射光的分束器，在透射光路還依次包括用于位相調制的第一波片、實現偏振分光的第一分光器件和分別接收經第一分光器件分光后的兩束光的第一光電探測器與第二光電探測器；在反射光路上還依次包括用于位相調制的第二波片、實現偏振分光的第二分光器件和分別接收經第二分光器件分光后的兩束光的第三光電探測器與第四光電探測器；四個所述探測器的光強信號輸出端通過數據采集卡與用于對數據進行處理的電子計算機連接。
[0004]上述的偏振光斯托克斯參量的測量裝置中，所述透射光和反射光為兩束偏振態不同的偏振光，透射光垂直入射到第一波片上，反射光垂直入射到第二波片上，第一分光器件、第二分光器件進一步將所述兩束偏振態不同的偏振光變成四束偏振光，四束偏振光經四個所述探測器后產生相應的電流信號；所述第一波片、第二波片的方位角可調，調節兩塊波片的方位角至最佳方位角，能使儀器矩陣最優化，通過定標求解出儀器矩陣后，將待測光所引起的電流信號進行計算求解，實現入射光斯托克斯參量的實時測量。
[0005]理論上，第一波片、第二波片的位相延遲量有多種組合，典型的有:第一波片、第二波片的組合采用二分之一波片與四分之一波片相互組合或采用二分之一波片與四分之一波片組合、二分之一波片與二分之一波片組合、四分之一波片與四分之一波片組合、或者四分之一波片與其不同位相延遲量的波片組合，二分之一波片與其不同位相延遲量的波片
組合等。
[0006]上述偏振光斯托克斯參量的測量裝置的優化方法，可以采用實測法，具體過程為:在測量裝置的光路結構確定及各光學元件選定的條件下，通過調節第一波片、第二波片的方位角實現優化，即通過實際測量不同方位角下測量裝置的儀器矩陣的行列式大小，獲得矩陣行列式的大小與波片方位角的關系曲線進而確定當儀器矩陣最大時所對應的波片最佳方位角，實現測量裝置的儀器矩陣最優化。 [0007]上述偏振光斯托克斯參量的測量裝置的優化方法，可采用模擬法，具體過程為:利用光學測量儀器或設備，實際測量所述測量裝置的光路中所有分光元件的橢偏參數，得到單個分光元件的矩陣表達式，并計算測量裝置的儀器矩陣，對測量裝置的儀器矩陣及其行列式進行數值模擬及分析，得到儀器矩陣最大時所對應的波片最佳方位角，實現測量裝置儀器矩陣的最優化。該方法中，通過固定兩塊波片中一塊的方位角，采用數值模擬方法，計算儀器矩陣行列式隨另一塊波片方位角的變化曲線，曲線上最大值所對應的橫坐標為另一塊波片的最佳方位角。
[0008]上述優化方法中，設入射光的斯托克斯參量為
【權利要求】
1.一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置，其特征在于包括將入射光分為透射光及反射光的分束器(1)，在透射光路還依次包括用于位相調制的第一波片(2)、實現偏振分光的第一分光器件(4)和分別接收經第一分光器件(4)分光后的兩束光的第一光電探測器(6)與第二光電探測器(7);在反射光路上還依次包括用于位相調制的第二波片(3)、實現偏振分光的第二分光器件(5)和分別接收經第二分光器件(5)分光后的兩束光的第三光電探測器(8)與第四光電探測器(9);四個所述探測器的光強信號輸出端通過數據采集卡與用于對數據進行處理的電子計算機連接。
2.根據權利要求1所述的一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置，其特征在于所述透射光和反射光為兩束偏振態不同的偏振光，透射光垂直入射到第一波片(2)上,反射光垂直入射到第二波片(3)上，第一分光器件(4)、第二分光器件(5)進一步將所述兩束偏振態不同的偏振光變成四束偏振光，四束偏振光經四個所述探測器后產生相應的電流信號；所述第一波片(2)、第二波片(3)的方位角可調，調節兩塊波片的方位角至最佳方位角，能使儀器矩陣最優化，通過定標求解出儀器矩陣后，將待測光所引起的電流信號進行計算求解，實現入射光斯托克斯參量的實時測量。
3.根據權利要求1所述的一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置，其特征在于第一波片位相延遲量與第二波片的位相延遲量的組合包括:二分之一波片與四分之一波片組合、四分之一波片與二分之一波片組合、二分之一波片與二分之一波片組合、四分之一波片與四分之一波片組合、四分之一波片與其不同位相延遲量的波片組合或二分之一波片與其不同位相延遲量的波片組合。
4.用于優化權利要求1所述一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置的方法，其特征在于采用實測法，具體過程為:在測量裝置的光路結構確定及各光學元件選定的條件下，通過調節第一波片、第二波片的 方位角實現優化，即通過實際測量不同方位角下測量裝置的儀器矩陣的行列式大小，獲得矩陣行列式的大小與波片方位角的關系曲線進而確定當儀器矩陣最大時所對應的波片最佳方位角，實現測量裝置的儀器矩陣最優化。
5.用于優化權利要求1所述一種偏振光斯托克斯參量的測量裝置的方法，其特征在于采用模擬法，具體過程為:利用光學測量儀器或設備，實際測量所述測量裝置的光路中所有分光元件的橢偏參數，得到單個分光元件的矩陣表達式，并計算測量裝置的儀器矩陣，對測量裝置的儀器矩陣及其行列式進行數值模擬及分析，得到儀器矩陣最大時所對應的波片最佳方位角，實現測量裝置儀器矩陣的最優化。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于固定兩塊波片中一塊的方位角，采用數值模擬方法，計算儀器矩陣行列式隨另一塊波片方位角的變化曲線，曲線上最大值所對應的橫坐標為另一塊波片的最佳方位角。
7.根據權利要求4飛任一項所述方法，其特征在于: 設入射光的斯托克斯參量為Sy S2j &)，令八7?分別表示分束器(I)的透射矩陣和反射矩陣，T1、A為第一分光器件(4)的透射矩陣和反射矩陣，T2、Ri為第二分光器件(5)的透射矩陣和反射矩陣，土為光電探測器的光電轉換系數，Μ、Μ.分別為透射光路以及反射光路中第一波片和第二波片的傳輸矩陣，則四個光電探測器所產生的電流信號分別表不為:
【文檔編號】G01J4/00GK103776537SQ201410040695
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2014年1月28日
【發明者】黃佐華, 蔡元靜 申請人:華南師范大學