一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置及其優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置及其優(yōu)化方法，測(cè)量裝置包括分束器和在分束器的兩個(gè)分光路上分別各自引入的波片、分光器件、兩個(gè)光電探測(cè)器。入射偏振光經(jīng)分束器后，產(chǎn)生兩束偏振態(tài)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(guò)波片的位相調(diào)制作用，產(chǎn)生兩束具有新偏振態(tài)的光束；另外兩個(gè)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(gè)光電探測(cè)器上，產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào)，調(diào)節(jié)兩塊波片的方位角至最佳方位角，能使儀器矩陣最優(yōu)化。通過(guò)定標(biāo)求解出儀器矩陣后，將待測(cè)光所引起的電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算求解，可實(shí)現(xiàn)入射光斯托克斯參量的實(shí)時(shí)測(cè)量。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度高，適應(yīng)性更強(qiáng)。
【專利說(shuō)明】一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置及其優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量與計(jì)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置及其優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光束偏振態(tài)的斯托克斯(stokes)參數(shù)的精確快速測(cè)量在工業(yè)、軍事及科學(xué)研究等方面有廣泛應(yīng)用意義。偏振光斯托克斯參數(shù)橢偏儀就是典型的應(yīng)用，它具有測(cè)量速度快、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，在光學(xué)測(cè)量、薄膜及材料性質(zhì)研究與光刻成像等許多領(lǐng)域有重要應(yīng)用。測(cè)量光偏振態(tài)托克斯參數(shù)的裝置主要有:旋轉(zhuǎn)元件的光度法測(cè)量裝置及分振幅光偏振測(cè)量裝置(D0AP)。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出十多種不同結(jié)構(gòu)的分振幅光偏振測(cè)量裝置，主要有鍍膜分光器型、四探測(cè)器型、金屬光柵型、液晶型及光纖型等。1982年美國(guó)學(xué)者R.M.A.Azzam設(shè)計(jì)了第一臺(tái)利用振幅分割法測(cè)量光偏振的裝置(D0AP)，沒(méi)有任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件或調(diào)制器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但沒(méi)有對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)際研究表明:對(duì)DOAP中的鍍膜分光鏡的設(shè)計(jì)參數(shù)是有一定要求的，這樣，系統(tǒng)才到達(dá)最優(yōu)化，測(cè)量精確度才最高，穩(wěn)定性最好，樣品適應(yīng)性最強(qiáng)。但要獲得符合要求的鍍膜分光器，并非易事，要對(duì)鍍膜過(guò)程及參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)及控制。針對(duì)振幅分割法測(cè)量光偏振的裝置存在的問(wèn)題，在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明引進(jìn)二塊有位相調(diào)制作用的波片，構(gòu)建了基于位相調(diào)制的分振幅光偏振測(cè)量裝置，并提出了系統(tǒng)儀器矩陣的優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種分振幅偏振光斯托克斯參數(shù)的測(cè)量裝置及其優(yōu)化方法，不但避免特殊及復(fù)雜的鍍膜或刻蝕工藝，而且能夠提高偏振光參數(shù)的可靠性、測(cè)量精度及適應(yīng)性，具體技術(shù)方案如下。
[0003]一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)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(diào)制的第一波片、實(shí)現(xiàn)偏振分光的第一分光器件和分別接收經(jīng)第一分光器件分光后的兩束光的第一光電探測(cè)器與第二光電探測(cè)器；在反射光路上還依次包括用于位相調(diào)制的第二波片、實(shí)現(xiàn)偏振分光的第二分光器件和分別接收經(jīng)第二分光器件分光后的兩束光的第三光電探測(cè)器與第四光電探測(cè)器；四個(gè)所述探測(cè)器的光強(qiáng)信號(hào)輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的電子計(jì)算機(jī)連接。
[0004]上述的偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置中，所述透射光和反射光為兩束偏振態(tài)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(jìn)一步將所述兩束偏振態(tài)不同的偏振光變成四束偏振光，四束偏振光經(jīng)四個(gè)所述探測(cè)器后產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào)；所述第一波片、第二波片的方位角可調(diào)，調(diào)節(jié)兩塊波片的方位角至最佳方位角，能使儀器矩陣最優(yōu)化，通過(guò)定標(biāo)求解出儀器矩陣后，將待測(cè)光所引起的電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算求解，實(shí)現(xiàn)入射光斯托克斯參量的實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量裝置的優(yōu)化方法，可以采用實(shí)測(cè)法，具體過(guò)程為:在測(cè)量裝置的光路結(jié)構(gòu)確定及各光學(xué)元件選定的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)第一波片、第二波片的方位角實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，即通過(guò)實(shí)際測(cè)量不同方位角下測(cè)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(guān)系曲線進(jìn)而確定當(dāng)儀器矩陣最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波片最佳方位角，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的儀器矩陣最優(yōu)化。 [0007]上述偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置的優(yōu)化方法，可采用模擬法，具體過(guò)程為:利用光學(xué)測(cè)量?jī)x器或設(shè)備，實(shí)際測(cè)量所述測(cè)量裝置的光路中所有分光元件的橢偏參數(shù)，得到單個(gè)分光元件的矩陣表達(dá)式，并計(jì)算測(cè)量裝置的儀器矩陣，對(duì)測(cè)量裝置的儀器矩陣及其行列式進(jìn)行數(shù)值模擬及分析，得到儀器矩陣最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波片最佳方位角，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置儀器矩陣的最優(yōu)化。該方法中，通過(guò)固定兩塊波片中一塊的方位角，采用數(shù)值模擬方法，計(jì)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(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為另一塊波片的最佳方位角。
[0008]上述優(yōu)化方法中，設(shè)入射光的斯托克斯參量為
【權(quán)利要求】
1.一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)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(diào)制的第一波片(2)、實(shí)現(xiàn)偏振分光的第一分光器件(4)和分別接收經(jīng)第一分光器件(4)分光后的兩束光的第一光電探測(cè)器(6)與第二光電探測(cè)器(7);在反射光路上還依次包括用于位相調(diào)制的第二波片(3)、實(shí)現(xiàn)偏振分光的第二分光器件(5)和分別接收經(jīng)第二分光器件(5)分光后的兩束光的第三光電探測(cè)器(8)與第四光電探測(cè)器(9);四個(gè)所述探測(cè)器的光強(qiáng)信號(hào)輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的電子計(jì)算機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置，其特征在于所述透射光和反射光為兩束偏振態(tài)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(jìn)一步將所述兩束偏振態(tài)不同的偏振光變成四束偏振光，四束偏振光經(jīng)四個(gè)所述探測(cè)器后產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號(hào)；所述第一波片(2)、第二波片(3)的方位角可調(diào)，調(diào)節(jié)兩塊波片的方位角至最佳方位角，能使儀器矩陣最優(yōu)化，通過(guò)定標(biāo)求解出儀器矩陣后，將待測(cè)光所引起的電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算求解，實(shí)現(xiàn)入射光斯托克斯參量的實(shí)時(shí)測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)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(yōu)化權(quán)利要求1所述一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置的方法，其特征在于采用實(shí)測(cè)法，具體過(guò)程為:在測(cè)量裝置的光路結(jié)構(gòu)確定及各光學(xué)元件選定的條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)第一波片、第二波片的 方位角實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，即通過(guò)實(shí)際測(cè)量不同方位角下測(cè)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(guān)系曲線進(jìn)而確定當(dāng)儀器矩陣最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波片最佳方位角，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的儀器矩陣最優(yōu)化。
5.用于優(yōu)化權(quán)利要求1所述一種偏振光斯托克斯參量的測(cè)量裝置的方法，其特征在于采用模擬法，具體過(guò)程為:利用光學(xué)測(cè)量?jī)x器或設(shè)備，實(shí)際測(cè)量所述測(cè)量裝置的光路中所有分光元件的橢偏參數(shù)，得到單個(gè)分光元件的矩陣表達(dá)式，并計(jì)算測(cè)量裝置的儀器矩陣，對(duì)測(cè)量裝置的儀器矩陣及其行列式進(jìn)行數(shù)值模擬及分析，得到儀器矩陣最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波片最佳方位角，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置儀器矩陣的最優(yōu)化。
6.根據(jù)權(quán)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(shù)值模擬方法，計(jì)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(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為另一塊波片的最佳方位角。
7.根據(jù)權(quán)利要求4飛任一項(xiàng)所述方法，其特征在于: 設(shè)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(cè)器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，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(gè)光電探測(cè)器所產(chǎn)生的電流信號(hào)分別表不為:
【文檔編號(hào)】G01J4/00GK103776537SQ201410040695
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】黃佐華, 蔡元靜 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)