测量任意波片相位延迟量的简便方法

崔祥霞,吴福全,郭丽娇

(1.曲阜师范大学物理工程学院山东省激光偏光与信息技术重点实验室,山东曲阜273165;2.泰山学院物理与电子工程学院,山东泰安271021)

测量任意波片相位延迟量的简便方法

崔祥霞1,2,吴福全1,郭丽娇1

(1.曲阜师范大学物理工程学院山东省激光偏光与信息技术重点实验室,山东曲阜273165;2.泰山学院物理与电子工程学院,山东泰安271021)

为了更方便的测量待测波片的相位延迟量,提出了简便易行的测量任意波片相位延迟量的方法,无需标准1/4波片,而且还可以利用一套实验系统同时测量2个未知波片的相位延迟量,并从理论上推导出了通用测量公式,从实验上进行了实际测量.

波片;相位延迟量;赛纳蒙特补偿法

1 引 言

波片也称为相位延迟器,与偏光器件相配合可以改变光的偏振态,从而实现各种偏振态的调制或转换,被广泛应用于光纤通信、生物医学、光弹力学、光学精密测量等领域.在偏振光精密测量技术中,波片相位延迟量的误差对测量结果会产生较大的影响,因此,精确测量波片相位延迟量具有非常重要的意义.目前已有报道的测量波片相位延迟量的方法主要有:电光调制相位比较法、相位补偿法、外差干涉法、旋转旋光片法、旋转偏振片法、旋转波片法、移相法、直角棱镜补偿法以及菲涅耳菱体等[1-10].例如,文献[6]采用移相法测量了波片的相位延迟量.文献[8]利用探测信号的直流分量与二次谐波分量精确计算出被测1/4波片的相位延迟量.

本文提出可以不用标准1/4波片,甚至2个未知波片的相位延迟量都可以用同一套实验系统同时高精度地测量的方法.该方法有效地避免了以往方法中必须利用标准的1/4波片或其他相位调制元件作为参考量或者调制量的局限性,同时还使得相位延迟量的测量更加灵活和方便.

2 实验系统和测量原理

相位延迟量测量的实验系统如图1所示,由激光光源发出的单色光经过透振方向平行于纸面起偏器P,然后经过快轴方向与P的透振方向成45°的待测波片B1和快轴方向与P相同的待测波片B2,最后经过一透振方向垂直于纸面的检偏器A,出射光强由光电探测器D接收.图2只是把B1和B2的位置进行了互换.实验中采用格兰-汤普森棱镜作为起偏器和检偏器,因为其具有较大的视场角、优于10-5的消光比和大于90%的透射比,而且在整个视场范围内透射比几乎不受入射角的影响,从而减小了旋转P和A所带来的测量误差.

图1 波片相位延迟量测量系统1

图2 波片相位延迟量测量系统2

假如图1中的B2是标准1/4波片,则图1的光路是经典赛纳蒙特补偿法实验系统[1],标准1/ 4波片被用作测量过程中的补偿元件.图1是旋转检偏器来获得通过该实验装置的最小光强,而图2是旋转起偏器来获得相同的效果.标准1/4波片是用于补偿光通过待测波片后产生的椭圆率,并且把它变成方位角α的旋转,这在文献[1-3]中都有详细的理论推导,待测波片的相位延迟量δ由下式可得:

在该实验系统中,若2个未知波片B1和B2的延迟量分别为δ1和δ2.为了观测到最小光强,图1中需要旋转检偏器A,图2中需要旋转起偏器P,光轴角分别表示为αA和αP,测量最小光强时检偏器和起偏器的旋转量分别是Δ αA和Δ αP.对整个实验测量原理运用密勒矩阵和斯托克斯矢量[3]分析可以得出待测波片的延迟量δ1和δ2.

方位角为αi和相位延迟量为δi的未知波片的密勒矩阵为

其中,Mi=cos 2αi,Ci=sin 2αi,Xi=cosδi,Yi= sinδi,Zi=1-Xi(i=1,2).在图1中分别用α1= 45°,α2=90°取代,而在图2中分别用α1=90°, α2=45°取代.

可变光轴角为αP的起偏器的密勒矩阵为

光轴角为αA的检偏器的密勒矩阵[A]形式和[P]是一致的.

若入射光是自然光,则斯托克斯矢量Sin为

因此,图1和2的出射光的斯托克斯矢量Sout分别是:

其中,出射光的光强I与斯托克斯矢量Sout的第1个元素是成比例的(忽略了传递系数).把(2)～(4)式代入(5)式可得:

在寻找通过两实验系统出射光的最小光强时,应该分别注意(6)式中光轴角αA和αP的区别,检偏器和起偏器的旋转量表示为Δ αA和Δ αP,规定逆时针旋转为正,顺时针为负.旋转后光轴角分别为0°+Δ αA和90°+Δ αP,理想情况下分别令(6)式等于0,最终得到:

理想情况下可得B2相位延迟量δ2为90°,当不能达到完全消光时,不能令(6)式为零,而是一个很小的值I(αA)/I0或I(αP)/I0.

3 实验结果与分析

实验中采用输出功率稳定性好的532 nm半导体激光光源,分别用旋转检偏器和起偏器的方法对2个相位延迟量未知的532 nm非标准1/4波片进行测量,多次测量求平均值来减小误差,测得实验数据如表1所示,延迟曲线如图3所示.

表1 两未知1/4波片相位延迟测量

图3 两未知波片相位延迟曲线

由表1可得,待测波片相位延迟量的平均值为¯δ1=92.27°,¯δ2=85.82°,而测量值的平均偏差分别是0.315°和0.68°,标准偏差分别为0.38°和0.74°,相对标准偏差为0.41%和0.86%,最大相对偏差分别为0.769%和1.29%,最小相对偏差为0.01%和0.233%,实验的测量精确度较高.实验中的误差主要来源[10]于器件光轴定位精度、环境杂散光背景光的影响、测量时温度的变化、操作过程中旋转角度误差和读数误差等.

4 结束语

该方法的优点是实验装置简单,易于操作,避免了使用标准补偿波片的局限性和光强的直接测量,把相位延迟量转换成转动角度的测量,更重要的是能同时高精度地测量2个任意相位延迟量的未知波片.从理论上推导出了通用测量公式,可以推广到任意相位延迟量的波片,使得波片相位延迟量的测量更加灵活简便. 238-251.

[2] 张旭,吴福全,王海龙,等.晶体相位延迟量的测量[J].物理实验,2007,27(3):42-45.

[3] 阎吉祥,魏光辉,哈流柱,等.矩阵光学[M].北京:兵器工业出版社,1995:164-178.

[4] 段存丽,张苏娟,赵顺阳.测量波片相位延迟量的新方法[J].光电子·激光,2009,20(1):71-73.

[5] 左芬,陈磊,徐晨.1/4波片相位延迟分布的动态测量[J].光子学报,2008,37(11):2 296-2 299.

[6] 严明,高志山.移相法测量波片的相位延迟量[J].光电子·激光,2005,16(2):183-187.

[7] 王兰,宋连科,王葱敏.旋光法测量波片位相延迟量[J].曲阜师范大学学报,2007,33(4):65-67.

[8] 胡建明,曾爱军,王向朝.精确测量1/4波片相位延迟量的新方法[J].中国激光,2006,33(5):659-662.

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[10] 薄锋,朱健强,康俊.波片相位延迟量的精确测量及影响因素分析[J].中国激光,2007,34(6):851-856.

[1] 廖延彪.偏振光学[M].北京:科学出版社,2003:

Measuring the phase delay of any wave plate

CUI Xiang-xia1,2,WU Fu-quan1,GUO Li-jiao1
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Laser Polarization and Information Technology, College of Physics and Engineering,Qufu Normal University,Qufu 273165,China; 2.College of Physic and Electronic Engineering,Taishan University,Tai’an 271021,China)

For measuring conveniently the phase delay of test wave plate,a simple and accurate method for measuring the phase retardation of any wave plate is put forward;no quarter wave plate is needed.Moreover,the phase delays of two unknown wave plates can be measured simultaneously using only one experimental system.General expressions are educed in theory.

wave plate;phase delay;Senarmont compensator

O436.3

A

1005-4642(2010)12-0028-03

[责任编辑:郭 伟]

2010-05-06;修改日期:2010-08-19

崔祥霞(1982-),女,山东沂源人,泰山学院物理与电子工程学院助教,硕士研究生,主要从事偏振光学与技术方面的研究.

指导教师:吴福全(1952-),男,山东郓城人,曲阜师范大学激光研究所教授,博士生导师,主要从事偏振光学与技术等方面的研究.