别汉棱镜像面偏振态测试方法研究

杜建刚

【摘要】利用1/4波片和检偏器检测别汉棱镜像面偏振态分布特性，实验分析偏振态与入射角之间的关系。实验采用检测像面斯托克斯矢量得出光经过光学系统在像面的偏振度、偏振方位角、偏振椭率。

自然光入射别汉棱镜，在像面上下两个屋脊面不存在偏振像差。部分偏振光入射别汉棱镜，在像面上下两个屋脊面存在偏振像差线。线偏振光入射，在上下屋脊面存在偏振像差，在像面上下两个屋脊面偏振度是很接近。

【关键词】别汉棱镜；偏振像差；线偏振光

【Abstract】The polarization characteristics of the prism surface were detected by 1/4 wave plate and analyzer. The relationship between the polarization state and the incident angle was analyzed experimentally. The polarimetric， polarized azimuth， and polarized ellipses of the optical system in the image plane are obtained by detecting the image of the Stokes image.

Natural light is incident on the prism， there is no polarization aberration on the roof surface of the upper and lower sides. Partial polarized light is incident on the prism， there are polarized aberrations in the upper and lower sides of the image plane. Linearly polarized light incident， in the upper and lower roof of the existence of polarization aberration， in the image plane on both sides of the roof surface polarization is very close.

【Key words】Doppler prism；Polarization aberration；Linearly polarized light

1. 绪论

1.1 前言。

当前，偏振像差是影响高速光纤通信的重要限制因素之一，像面偏振态的测量是一个基本的问题。而偏振态的检测效果（如琼斯矩阵法、邦加球法等），依赖于对光纤输出光的偏振态的准确测量。

Temple提出了使用一个检偏器，通过旋转检偏器的位置对偏振态进行检测这种方法虽然简单，但只能直接得到四个斯托克斯矢量的前3个分量S1、S2、S3。后来，Yoshinori Namihira和Hiroharu Wakabayashi采用的检测光偏振态的方法等同于使用了一个旋转的1/4波片和一个固定的检偏器。它是利用旋转1/4波片到4个不同位置得到的4个值列出一个方程组，从而通过计算解得到所需的偏振态参量。

1.2 课题研究的内容。

本课题研究的是要设计检测方案，测试别汉棱镜像面的偏振态分布特性，并对方案进行可行性实验论证。利用本方案分别检测线偏振光、部分偏振光、自然光经过别汉棱镜在像面的偏振态，同时改变入射光的角度，实验分析入射角与像面偏振态之间的关系。

1.3 课题研究的主要方案、方法和措施。

2 像面偏振态检测方案的研究

2.1 设计检测方案。

（1）检测方案：先不用1/4波片，通过在光路中旋转检偏器，得到3个斯托克斯矢量S0、S1、S2然后将1/4波片插入，再旋转检偏器，得到最后一个斯托克斯矢量S3。

当被测光通过一个透射轴与x轴成θp角的检偏器，用光电探测器测量透射光强I（θp）。

利用偏振元件的矩阵公式可得：S′=M（θp）S，其中S′是被检测光通过检偏器后的偏振态，S是被检测光的偏振态，而M（θp）与x轴的夹角为θp的起偏器或检偏器对光的作用矩阵。

3. 偏振态分布特性实验检测

3.1 线偏振光经别汉棱镜成像的偏振态检测。

3.1.1 线偏振光通过别汉棱镜像面偏振态检测试验光路的搭建。

所需要的实验器材： He～Ne激光器、扩束镜、起偏器、1/4波片、载物台别汉棱镜、检偏器、接收屏、光功率计。光路如图1所示。

3.1.2 测量数据。

该实验需要分别测量从上屋脊面和下屋脊面出射的光强，故需要遮挡別汉棱镜，使其只有一半的光进入，这样就得到只有从一个屋脊面的出射光，另一个屋脊面有光出射，用光功率计进行数据采集。

同理，换成遮挡另一半的光，用光功率计行数据采集。线偏振光实验数据如表1所示。

3.1.3 数据分析。

（1）线偏振光经别汉棱镜，在像面上下两个屋脊面偏振度是很相接近的。

（2）方位角在上下两个屋脊面有正负号之分，在上下屋脊偏振方位角的偏转方向相反，并且偏转的角度也不相同。

（3）偏振椭率在上下两个屋脊面也有正负号之，绝对值大小不相同。

以上三点可以说明线偏振光经别汉棱镜，在像面上下两个屋脊面偏振态不同。

3.2 部分偏振光经别汉棱镜成像的偏振态检测。

3.2.1 部分偏振光通过别汉棱镜像面偏振态检测试验光路的搭建。

所需要的实验器材： He～Ne激光器、扩束镜、波片堆、起偏器、1/4波片、载物台、别汉棱镜、检偏器、接收屏、光功率计。光路如图2所示。

3.2.2 测量数据

测量方法同线偏振光测量（详见3.1.2线偏振光测量）。部分偏振光实验数据如表2所示。

3.2.3 数据分析

（1）部分偏振光经别汉棱镜，在像面上下两个屋脊面偏振度是很相接近。

（2）从方位角和偏振椭率可以得出在上下两个屋脊面偏振态不同。

3.3 入射光以不同的角度入射像面偏振态的检测。

（1）线偏振光以不同入射角入射时，像面偏振态如表3所示。

（2）部分偏振光以不同入射角入射时，像面偏振态如表4所示。

3.3.1 数据分析。

（1） 线偏光经别汉棱镜可得出像面的偏振度，随入射角的增大而增大。偏振方位角，偏振椭率在上下两个屋脊面有正负之分，可以得出在上下两个屋脊面上偏振度不同。上屋脊面方位角随入射角增大而减小，下屋脊面得方位角随入射角的增大而减小。

（2）部分偏振光经别汉棱镜后，偏振度随入射角的增大而增大，方位角也随之改变上下屋脊面有正负号之分，在上下两个屋脊面上偏振度不同。偏振椭率在上下屋脊面有正负号之分，上屋脊面随入射角增大随之减小，下屋脊面随入射角增大随之增大。

4. 结论

通过对检测方案的设计和可行性的论证。并实验检测了线偏振光、自然光、部分偏振光分别经别汉棱镜后，在像面的偏振态。分析出了在像面上下两个屋脊面偏振态的分布状况。

本课题利用1/4波片和检偏器检测别汉棱镜像面偏振态分布特性，实验分析偏振态与入射发散角之间的关系。实验采用检测像面斯托克斯矢量得出光经过光学系统在像面的偏振度、偏振方位角、偏振椭率。

实验得到入射角与像面偏振态之间的关系：

（1）线偏振光经别汉棱镜，在像面的偏振度，随入射角的增大而增大。上下两个屋脊面上偏振度不同，上屋脊面方位角随入射角增大而减小，下屋脊面得方位角随入射角的增大而减小。

（2）部分偏振光经别汉棱镜后，偏振度随入射角的增大而增大，方位角也随之改变，在上下屋脊面长轴与X轴的夹角旋转方向相反，在上下两个屋脊面上偏振度不同。偏振椭率在上屋脊面随入射角增大随之减小，在下屋脊面随入射角增大随之增大。

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[文章编号]1619-2737（2017）07-20-674