新型偏振风成像干涉仪中偏振化方向对调制度和干涉强度的影响研究＊

张淳民 朱兰艳

(西安交通大学理学院,非平衡物质和量子调控教育部重点实验室,西安 710049)

新型偏振风成像干涉仪中偏振化方向对调制度和干涉强度的影响研究＊

张淳民†朱兰艳

(西安交通大学理学院,非平衡物质和量子调控教育部重点实验室,西安 710049)

(2009年3月17日收到;2009年5月14日收到修改稿)

简要论述了新型偏振风成像干涉仪的原理;分析了偏振风成像干涉仪的各光学部件的偏振化方向对调制度和干涉强度的影响;给出了起偏器的偏振化方向、干涉仪两臂λ/4波片及出射位置处λ/4波片的光轴取向偏离理想方向时干涉仪调制度和干涉强度的理论表达式;采用计算机模拟分别给出了调制度随各偏角变化的曲面图及风速、温度反演误差随各偏角变化的曲线图;给出了温度精度为5 K、风速精度为20 m/s时偏振化方向的误差容限.该研究对新型偏振风成像干涉仪的研究、研制提供了一定的理论依据和实践指导,对高层大气光学被动探测以及空间探测、对地观测都具有科学意义和应用前景.

新型偏振风成像干涉仪,偏振化取向,调制度,干涉强度

PACC:4230L,0760,4225K,4225J

1.引言

利用干涉成像光谱技术,通过极光或气辉的多普勒频移来探测高层大气(80—300 km)风场,从而反演出高层大气风场的速度场、温度场、压力场等信息,已成为当今空间探测的热门研究领域和前沿学科[1—7].目前在高层大气被动探测领域处于领先地位的是加拿大、美国和法国.1991年加拿大空间署CRESS、美国航空航天局NASA和法国空间中心CNRS联合研制了国际上首台风成像干涉仪——广角迈克耳逊干涉仪W IND II(the windimaging interferometer ontheuppera tmosphereresearch satellite)[8,9],搭载于上层大气研究卫星上,开始了对高层大气的被动探测,获知了许多有用的信息. W IND II开创了星载高层大气被动探测的先河,此后国际上相继对高层大气风场探测进行了更深入、更广泛的研究.目前国际上最新的风成像干涉仪仍是加拿大CRESS和美国NASA正在研制的用于红外谱段的同温层风成像干涉仪S W IFT(the stratosphericwindinterferometerfortransport studies)[10],它的探测高度为20—40 km,主要用于大气层的臭氧探测,预计在2010年发射升空.在国内,西安交通大学和中国科学院西安光学机械研究所联合课题组对高层大气风场被动探测的原理、方案及实验装置进行了深入的研究[11—25].

高层大气风场被动探测的基本原理是干涉成像光谱技术和电磁波的多普勒频移,利用大气和探测器的相对运动,测量产生的多普勒频移量,即可反演出风场的速度、温度等信息[1,14].但是频移量很小,不易直接测量.人们改用测量位相的变化,具体是在高级次(105以上)的干涉条纹上,探测一个周期内位相按π/4递增的四个强度值,也就是光程差按λ/4递增的四个强度值,就可以反演出高层大气速度场、温度场和压力场的信息,称为“四强度探测法”[1—4,9].

目前国际上研制成熟的风成像干涉仪都是基于迈克耳逊干涉仪为原型的动镜扫描型的干涉成像仪,它通过动镜扫描使光程差以λ/4递增四次,依次获得四个强度值[1,8,9].在反演风场信息时,认为在探测四强度值的时间内,风场的信息是不变的.实际上,在不同时的四次测量中,风场信息已经变化,对于快速变化的极光和气辉来说,这种探测误差很大,因不能一次获取四个强度值,故不能实现实时、同时探测.这种基于动镜扫描型的风成像干涉仪的另一个缺点是含有运动部件,不适合航空航天环境探测.

本课题组正在研究和研制一种新型的风成像干涉仪,它是基于迈克耳逊干涉仪原型的一种静态、无动镜的干涉成像仪[26—30],它取消了普通迈克耳逊干涉仪动镜扫描的结构,通过干涉仪外部的偏振阵列来改变光程差,一次获得四个强度值.这种干涉仪具有两个显著的优点:一是无运动部件,适合航空航天探测.二是能进行实时、同时探测,一次获得四个强度值,测量误差小,适合快速变化的极光与气辉探测.本文详细介绍了新型偏振风成像的基本结构和测量大气风场的基本原理,并对各光学部件的偏振化方向对干涉仪的调制度、干涉强度的影响进行了分析.

在风成像干涉仪中,调制度和干涉强度是衡量仪器性能指标的重要参数,不仅影响干涉图的清晰度和信噪比,也直接影响了风场速度和温度的反演精度.在新型偏振风成像干涉仪的实际装调过程中,由于各光学部件的偏振化方向可能会偏离理想方向,从而对调制度和干涉强度产生误差,造成对风场实际信息的探测误差.本文从理论和仿真两方面分析了在偏振风成像干涉仪中,偏振片的偏振化方向、λ/4波片的光轴取向偏离理想方向时,对干涉仪调制度、干涉强度,进而对风场速度、温度的影响.从风速、温度反演的精度考虑,给出了偏振化方向的误差容限.这对新型偏振风成像干涉仪用于高层大气风场被动探测的装置研制和装调起到了一定的指导作用.

2.新型偏振风成像干涉仪的原理

1980年Title和Ramsey[27]设计了一个广角偏振迈克耳逊干涉仪,它是偏振风成像干涉仪的核心部件,其结构示意图如图1所示.它主要由起偏器P1、偏振分束器、视场补偿玻璃、干涉仪两臂位置的λ/4波片(波片1,2)及反射镜、出射位置的λ/4波片(波片3)、偏振片(检偏器)P2组成[27].

进入干涉仪的光线先进入起偏器P1(偏振化方向在xy平面且与x,y轴正向成45°角),变为一束线偏振光,再通过偏振分束器,产生相等分量的垂直偏振光s和水平偏振光p,垂直分量s偏振光被偏振分束器反射进入干涉仪的臂1,水平分量p偏振光被偏振分束器透射进入干涉仪的臂2.

图1 偏振风成像干涉仪结构示意图

在干涉仪两臂的位置各有一个λ/4波片(光轴在波片表面内,且与x,y轴正向成45°角)和一个反射镜.入射光通过λ/4波片后,被平面镜反射回来,再通过这个λ/4波片,这时光的偏振态转动了90°.则臂1处入射的垂直分量s波出射时转变为平行分量p波,然后被偏振分束器透射;臂2处入射的平行分量p波出射时转变为垂直分量s波,被偏振分束器反射[27—30].

图2形象地展示了以上光通过偏振风成像干涉仪时偏振态的改变过程[27](为了更好地表现光通过干涉仪两臂后偏振态的改变,在图中将反射光线作了横向处理).入射光经过起偏器P1后,变为一束线偏振光.该线偏振光可分解为水平分量p波和垂直分量s波.通过偏振分束器以后,垂直分量s波被反射进入臂1,水平分量p波被透射进入臂2.它们各自经过两臂的λ/4波片和反射镜,偏振态改变了90°,再次通过偏振分束器,最后到达出射位置的λ/4波片.通过偏振分束器后的两束线偏振光再通过出射位置的λ/4波片(图1中波片3)(光轴在xy平面内,与x,y轴正向成45°角),变成两束圆偏振光,最后进入偏振片P2(检偏器),变成振动方向相同(沿P2的偏振化方向)的两束线偏振光,最后在探测平面相遇产生干涉.

如果波长为λ的光入射到干涉仪上,产生两束光程差为Δ的出射光.当检偏器P2的偏振化方向与它前面的出射位置的λ/4波片3的快轴方向成θ角时,计算得知,透射光强[27]

图2 偏振态的改变示意图

从(1)式可以看出,此时干涉仪的调制度为1.由于静态风成像干涉仪的光程差Δ基本固定,从(1)式可知,改变θ角也可以改变光强,所以改变θ角相当于改变了光程差Δ,都可以达到改变干涉强度的目的.

在偏振风成像干涉仪用于大气风场探测时,我们通过四强度法来反演大气风场的速度场和温度场的信息[1—3].在高层大气(80—300 km)风场中,气辉的谱线一般为高斯线型,其光谱分布[1—3]为

式中σ为波数,B0为σ等于中心波数σ0时光源的辐射强度,w为半高宽,w=[(7.16×10-7)2σ20T/ M]1/2,M为原子量.

我们知道干涉强度为B(σ)Iθ的傅里叶变换,即,将(1)和(2)式代入积分可得

当检偏器P2的偏振化方向夹角θ分别取θ=0, π/4,π/2,3π/4时(相当于光程差以λ/4递增),可得四个强度值

联立以上四个强度值的表达式,可得

探测四个强度值I(θ=0),I(θ=π/4),I(θ=π/2),I(θ=3π/4)以后,由(6)式可得出V,通过V=exp(-QTΔ2)反演出风场的温度场T;由(7)式可计算出φ,通过φ=演出风场的速度场v.这就是偏振风成像干涉仪利用四强度法测量风场的基本原理.在新型偏振风成像干涉仪中,检偏器P2可以用4个偏振片组成的偏振阵列来代替,4个偏振片的偏振片方向分别取θ=0,π/4,π/2,3π/4,这样我们在探测时,一次可以获取4个强度值,可实现同时、实时探测.

3.偏振化方向对调制度的影响

3.1.偏振化方向对调制度影响的理论计算

上一部分叙述了偏振风成像干涉仪的基本结构和测量风场的基本原理,我们知道V= exp(-QTΔ2),即调制度直接决定了温度的反演.实际探测中,仪器调制度U与谱线调制度V的乘积共同决定了温度的反演,即UV=exp(-QTΔ2).这一节我们将对仪器调制度U进行分析.

我们把上一部分中各光学部件的光轴取向称为理想方向,而实际的偏振风成像干涉仪由于装调等各种原因而处于非理想状态,比如,偏振片的偏振化方向偏离理想方向、λ/4波片的光轴取向偏离理想方向、偏振分束器性能不理想等,因此对干涉仪的调制度和干涉强度产生影响.

假定偏振分束器具有完全的偏振能力(即对垂直分量s波完全反射,对水平分量p波完全透射),我们来讨论偏振片的偏振化方向、三个λ/4波片的光轴取向对干涉强度和调制度的影响.

设起偏器P1的偏振化方向偏离理想方向成α角,对α角的正负规定如下:沿z轴方向看,偏离理想方向顺时针方向为正,逆时针方向为负(以后分析其他光学部件的偏振化方向误差夹角也照此规定[28,29]),如图3所示.

图3 起偏器P1偏角示意图

一束平行光进入起偏器P1后,变为沿P1偏振化方向振动的线偏振光,然后垂直入射到偏振分束器上.设线偏振光光振幅为A,进入偏振分束器以后,可分解成两个振动方向垂直的分量.垂直振动分量s波(沿y轴方向振动)完全反射进入干涉仪的臂1,水平振动分量p波(沿x方向振动)完全透射进入干涉仪的臂2.其振幅分别为

首先对进入干涉仪的臂1的光波(振幅为Ay)进行讨论.垂直振动分量s波进入臂1后,先通过λ/4波片,设λ/4波片的光轴取向偏离理想方向的夹角为β1.光在λ/4波片的入射面上所产生的e光和o光同相位,其振幅分别为Ae1和Ao1.穿过λ/4波片后,附加一个相位延迟δ,合成光矢量端点的轨迹方程为

其中,

λ/4波片对e光和o光的相位延迟取δ=π/2,则(10)式化简为

(13)式是一个标准椭圆方程,可见线偏振光通过λ/4波片后,变为一个长、短半轴分别为Ao1,Ae1的椭圆偏振光.经过平面镜反射后,再次通过λ/4波片,此时λ/4波片的光轴与椭圆偏振光的主轴方向一致,产生的e光和o光相位再次延迟δ=π/2,也就是两次通过λ/4波片,相位总延迟为π,则出射光的电矢量分别为

由(14),(15)式可知,再次通过λ/4波片后变为一线偏振光,是Ee1和Eo1的合成.线偏振光再通过偏振分束器,只有沿x方向振动的分量能透射出去,则透射光的电矢量为

将(14),(15)式代入(16)式,化简得

同理,我们对进入干涉仪臂2的光波进行讨论,设臂2处的λ/4波片的光轴取向偏离理想方向的夹角为β2,平行振动分量p波进入λ/4波片后变为一椭圆偏振光,其矢量端点的轨迹方程为

其中

该椭圆偏振光通过平面镜反射后,再次通过λ/4波片,由于λ/4波片的光轴与椭圆偏振光的主轴方向一致,则变为一线偏振光,是Ee2和Eo2的合成,

线偏振光通过偏振分束器后,只有沿y方向振动的分量能反射出去,则反射光的电矢量为

将(21),(22)式代入(23)式,化简得综合以上分析可得,从偏振分束器出射的两束光都为线偏振光,经过臂1后出射的光沿x方向振动,经过臂2出射的光沿y轴方向振动,其振幅分别为Ex1,Ey2,其表达式见(17),(24)式.这两束光经过干涉仪两臂以后,相位差为δ′=2π Δ/λ,其中Δ为干涉仪的光程差,是一个定值,λ为入射光的波长.

这两束线偏振光经过λ/4波片3后,若波片3的光轴取向是理想方向(在xy平面内,与x,y轴正方向夹角成45°),则两束光出射后变为圆偏振光.实际情况中,由于波片3的光轴取向与理想方向有偏差,误差角记做γ,此时出射的两束光为椭圆偏振光.其电矢量在光轴取向上的投影分别为

这两束椭圆偏振光,经过偏振片P2(检偏器),光强应为沿P2偏振化方向振动的两个同频率振动分量的相干叠加.设检偏器P2的初始位置在xy平面内,与x,y轴正方向夹角成45°,将P2的实际偏振化方向与它前面λ/4波片3的快轴方向的夹角记做θ(与初始位置相比,仍规定顺时针旋转为正,逆时针为负).

则由臂1位置出射的那束光,经过P2后,电矢量为

由臂2位置出射的那束光,经过P2后,电矢量为

这两束线偏振光,在CCD的探测平面相遇,产生干涉条纹.其调制度为

将(25)—(30)式代入(31)式化简,得到调制度的理论表达式

上式即是仪器调制度U随各光学部件偏振化取向α,β1,β2,γ,θ变化的理论表达式.

3.2.偏振化方向对调制度的影响分析

(32)式中,调制度U是各光学部件偏振化取向α,β1,β2,γ,θ的函数,即调制度受偏振化取向的影响.虽然在光学装调过程中,偏振化方向的误差角都不应该很大,但是由于偏振片和波片可以旋转,所以我们在大角度范围内进行分析讨论.下面分析调制度U随α,β1,β2,γ,θ的变化情况.我们做出调制度随各误差角的变化图,其中纵坐标表示调制度,横坐标表示元件偏振化方向偏离理想方向的误差角.

1)所有器件的偏振化方向均为理想方向时,即α,β1,β2,γ都为零,检偏器P2的θ可变,为任意值,此时U=1,即全对比,此时干涉条纹最清晰.

2)考虑起偏器的偏振化方向误差角α对调制度U的影响,起偏器P1的偏振化方向不理想,其他器件均为理想状态,即α≠0,β1,β2,γ都为零,检偏器的旋转角θ任意,此时采用Matlab软件做出它们的关系曲线.从图4可以看出,调制度U的周期所以我们区间内来讨论.当α=0时,U= 1,即全对比,此时干涉条纹最清晰;当α=±π时, 4调制度U=0,此时没有干涉条纹出现.

从温度测量的精度来考虑,需要仪器具有较高的调制度.若我们探测时选取氧原子630.0 nm的气辉谱线为光源,干涉仪的基准光程差Δ取4.47 cm(满足cos(2π Δ σ0)=1),经计算,要使温度的精度达到10 K,则仪器调制度U为0.99以上.在此将仪器调制度U为0.99作为讨论偏振化方向误差的容限.

图4 调制度U随α的变化曲线

由图4可知,调制度在0.99以上,则起偏器与理想方向的偏角必须控制在在±2°之内.要得到高的调制度,偏角要尽可能地小,即起偏器的偏振化方向要尽可能地接近理想方向.

3)考虑干涉仪两臂位置的λ/4波片的偏振化方向误差角β1,β2对调制度U的影响,此时β1,β2≠0,α,γ为零,检偏器的旋转角θ任意,U=调制度U随着干涉仪两臂位置的λ/4波片的偏振化方向误差角β1,β2变化的关系曲线如图5所示.

图5 调制度U随着β1,β2的变化关系

从图5中可以看出,当β1=±β2时,调制度为1,全对比,干涉条纹最清晰.即当两臂位置的λ/4波片的误差偏角的大小相等时,对干涉图的调制度没有影响,调制度的值为1.当β1时,β为任2意值,或者β2为任意值时,此时U=0.所以,要获得较高的调制度,必须使误差角β1,β2的值接近,且若要调制度U的值在0.99以上,则满足cos2β1≥0.87cos2β2,或者cos2β2≥0.87cos2β1.

图6 调制度U随着γ,θ的变化关系

4)考虑出射位置λ/4波片3的偏振化方向误差角γ对调制度U的影响,此时γ≠0,α,β1,β2都为零,旋转角θ任意,此时U=调制度U随着出射位置λ/4波片3的偏振化方向误差角γ的变化关系如图6所示.从图6可以看出,此时调制度U不仅与γ有关,还随着旋转角θ值的不同而不同.当γ=0时,U=1,此时干涉条纹最清晰.所以要得到更高的调制度,误差角γ要尽可能的小.计算可知,要使调制度在0.99以上,此时出射位置λ/4波片3的偏振化方向误差角γ必须控制在±2°之内.

4.偏振化方向对干涉强度的影响

4.1.偏振化方向对干涉强度影响的理论计算

下面讨论偏振化方向偏离理想方向时对干涉强度的影响.

从干涉仪两臂出射的两束光进入λ/4波片3以后,出射光在波片的e轴和o轴方向的电矢量的振幅见(25)—(28)式.

两束光通过检偏器P2后,

由于干涉强度I=EE＊,将(25)—(28)式代入,干涉强度可化简为

为方便计算,我们将(34)式简化为

其中,

将高斯线型函数(2)和(35)式代入I(Δ)=进行傅里叶变换,得到光谱的干涉强度

风场探测中,由于粒子以一定速度v移动,考虑电磁波的多普勒效应,(36)式可变为

(38)式是谱线的干涉强度I(Δ)受偏振化方向α,β1, β2,γ的影响的理论表达式.

4.2.偏振化方向对干涉强度的影响分析

由(38)式可知,探测到的谱线的干涉强度I(Δ)受偏振化方向α,β1,β2,γ的影响.也就是说,当偏振化方向处于非理想状态时,偏振阵列P2的偏振化方向满足θ=0,π/4,π/2,3π/4时得到的四个强度值是存在误差的.由(6),(7)式可知,四个强度值的误差,将会对风场反演的风速、温度产生影响.我们通过计算机模拟,给出偏振化方向误差角对风速、温度影响的误差曲线.

假定探测时选取氧原子630.0 nm的气辉谱线为光源,干涉仪的基准光程差Δ取4.47 cm(满足cos(2π Δ σ0)=1).当偏振化方向α,β1,β2,γ的误差角都在2°以内时,给出风速、温度的误差值曲线,如图7,8所示.

图7中横坐标表示偏振化方向偏离理想方向的误差角度,纵坐标表示所测量风速的误差值(单位是m/s).由图7可以看出,偏振化方向对探测风速的影响很大.当所有的偏振化方向的误差控制在±1°时,风速精度能达到20 m/s.

图8表示偏振化方向对测量温度误差的影响,由图也可以看出,当所有偏振化方向误差角控制在±1°时,温度精度能达到5 K.

图7 偏振化方向对风速的影响误差

图8 偏振化方向对温度的影响误差

5.结论

本文研究了新型偏振风成像干涉仪中各光学部件偏振化方向偏离理想方向对调制度和干涉强度的影响,给出了调制度和干涉强度随偏振化方向误差角变化的理论表达式,采用计算机模拟分别给出了调制度、风场速度及温度随各偏角变化的曲面图和曲线图,分析得到了以下结论.

1)光学部件的偏振化方向误差对偏振风成像干涉仪调制度的影响如下:

①通过振幅投影方法,得出了调制度随各光学部件偏振化方向变化的理论表达式.

②当各光学部件的偏振化方向均为理想方向时,调制度U=1,此时为全对比,干涉条纹最清晰.所以在放置光学部件时,应使误差角尽可能的小,偏振化方向尽可能接近理想方向,以达到较高的调制度.

③当温度精度达到10 K时,起偏器的偏振化方向误差角必须满足α≤±2°;干涉仪两臂的λ/4波片光轴取向的误差角必须满足cos2β1≥0.86cos2β2,或者cos2β2≥0.86cos2β1;出射位置处的λ/4波片的偏振化方向偏角必须满足γ≤±2°.

2)光学部件的偏振化方向误差对干涉强度的影响如下:

①通过双光束干涉理论,得出了干涉强度随各部件偏振化方向误差角的理论表达式.

②给出了偏振化方向对风速、温度的反演误差曲线.当所有的偏振化方向的误差控制在±1°时,风速精度能达到20 m/s,温度精度能达到5 K.

本文的研究工作将对新型风成像干涉仪的装置研制、装调提供一定的理论基础和实践指导.

[1]Shepherd G G,GaultW A,MillerD W,Pasturczyk Z,Johnston S F,Kosteniuk P R,Haslett J W,Kendall D J W,W imperis J R 1985Appl.Opt.24 1571

[2]GaultW A,Brown S,MoiseA,LiangD,Sellar G,Shepherd G G 1996Appl.Opt.35 2913

[3]Mani R,GaultW A,Brown S 2000Proc.SPIE4131 96

[4]Wu Q,GablehouseD,Solomon SC,Killeen TL,She C Y2004 Proc.SPIE5660 218

[5]Rochon Y J,Rahnama P,McDade I C,Scott A 2004Proc. SPIE5234 335

[6]Zhang C M,Zhao B C,Li Y C,Ye J Y 2007Proc.SPIE6279 62791D

[7]Cezard N,Bouteyre A D,Huignard J P,Flamant P 2007Proc. SPIE6750 675008

[8]Shepherd G G,Thullier G,GaultW A,Solheim B H,Hersom C,AlunniJM,Brun J F,Charlot P,CoggerL L,DesaulniersD L,EvansW F J,GattingerR L,Girod F,HarvieD,Hum R H, KendallD JW,Llewellyn E J,Lowe R P,OhrtJ,Pasternak F, Peillet O,Powell I,Rochon Y,Ward W E,W iens R H, W imperis J 1993J.Geophys.Res.98 10725

[9]Shepherd G G 1996Appl.Opt.16 2764

[10]Mani R,GaultW A,Brown S 2000Proc.SPIE4131 96

[11]Zhang C M,He J 2006Opt.Express14 12561

[12]Zhang C M,Zhao B C,Xiangli B,Li Y C 2006Optik117 265

[13]Zhang C M,Zhao B C,Xiangli B 2000Acta Opt.Sin.20 697 (in Chinese)[张淳民、赵葆常、相里斌2000光学学报20 697]

[14]He J,ZhangCM,Tang YH,ZhaoB C 2005Acta Opt.Sin.25 577(in Chinese)[贺 健、张淳民、唐远河、赵葆常2005光学学报25 577]

[15]Peng Z H,Zhang C M,Zhao B C,Xiangli B 2006Acta Phys Sin.55 234(in Chinese)[彭志红、张淳民、赵葆常、相里斌2006物理学报55 234]

[16]Wu L,Zhang C M,Zhao B C 2007Opt.Commun.1 67

[17]Zhang C M,Yan X G,Zhao B 2008Opt.Commun.281 2050 [18]Zhang CM,XiangliB,Zhao B C 2004J.Opt.A:pure Appl. Opt.6 815

[19]Zhang C M,Zhao B C,XiangliB 2004Appl.Opt.43 6090

[20]Zhang C M,XiangliB,Zhao B C 2002Opt.Commun.203 21 [21]Zhang C M,Zhao B C,XiangliB 2003Opt.Commun.227 221 [22]Zhang C M,XiangliB,Zhao B C 2000Proc.SPIE4087 957

[23]Zhang C M,Zhao B C,Yuan Y,He J 2006Proc.SPIE6032 60320T1

[24]Zhang CM,ZhaoB C,Yuan ZL,HuangW J 2009J.Opt.A: Pure Appl.Opt.11 085401

[25]Zhang C M,Sun M Z,Yuan Z L,Song X P 2009Acta Phys. Sin.58 1758(in Chinese)[张淳民、孙明昭、袁志林、宋晓平2009物理学报58 1758]

[26]Bird J C,Liang F C,Solheim B H,Shepherd G G 1995M eas. Sci.Technol.6 1368

[27]Title A M,Ramsey H E 1980Appl.Opt.19 2046

[28]Azzam R M A 1993Rev.Sci.Instrum.10 2834

[29]ChussD T,Wollack E J,MoseleyH,Novak G 2006Appl.Opt. 21 5107

[30]MujatM,Dogariu A,Agarwal G S 2004Opt.Lett.13 1539

PACC:4230L,0760,4225K,4225J

Influence of the polarization direction on the modulation depth and interferential intensity of a new polarizing a tmospheric Michelson interferometer＊

Zhang Chun-Min†Zhu Lan-Yan

(Key Laboratory forNon-equilibrium Condensed Matter and Quantum Engineering of M inistry of Education,School of Science,
Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

17 March 2009;revised manuscript

14 May 2009)

The principle of the polarizing atmospheric Michelson interferometer is introduced,the influence of the polarization directions of all the components on its interferential intensity and modulation depth is discussed,and the dependence of intensity and modulation depth on the deviation is calculated with the polarization direction deviating from the ideal direction.We analyze the influence on the intensity and modulation depth when the polarization directions of the polarizer, the three quarter-wave plates and the analyzer deviate from the ideal direction.The changing curves ofmodulation depth, wind velocity and the temperature with the deviation of the polarization direction are obtained.We also give the tolerances of all the polarization directions.These results would be helpfull for theoretical research and development of the new polarizing atmosphericMichelson interferometer.It also has scientific value and wide prospect formeasuringwinds in the thermosphere and for space measurement.

polarizing atmospheric Michelson interferometer,polarization direction,modulation depth,interferential intensity

＊国家自然科学基金重点项目(批准号:40537031)、国家高技术研究发展计划(批准号:2006AA12Z152)、国防基础科学研究基金(批准号:A1420080187)、国家自然科学基金(批准号:40875013,40375010,60278019)、陕西省科技攻关计划(批准号:2001K06-G12, 2005K04-G18)和西安交通大学“985”二期电子信息平台资助的课题.

†E-mail:zcm@mail.xjtu.edu.cn

＊Project supported by the Key Program of the NationalNatural Science Foundation of China(GrantNo.40537031),the National High Technology Research and Development Program of China(GrantNo.2006AA12Z152),the National Defence Basic Scientific Research Foundation of China (GrantNo.A1420080187),the NationalNatural Science Foundation of China(GrantNos.40875013,40375010,60278019),the Science and Technology Key Program of Shaanxi Province,China(GrantNos.2001K06-G12,2005K04-G18),and the Second Phase of the“985 Project”of the Electronic Information Platform of Xi’an JiaotongUniversity,China.

†E-mail:zcm@mail.xjtu.edu.cn