（光学专业论文）智能化高消光比测试技术的研究.pdf

摘要 摘要 智能化高消光比测试技术的研究主要是对高消光比测量系统中的光 源进行设计，寻求消除光源起伏的有效途径，然后将所设计的光源与先进的 计算机技术相结合，从而建立一套测量速度快、数据处理、采集、操作自动 化且数据处理准确和稳定度好的智能化高消光比测量系统。 消光比是材料和光学器件的一项重要光学偏振技术参数，是表征各类 偏振器件、晶体和各种光学功能材料、激光物质性能的主要物理参数之一， 也是反映光辐射源、保偏光纤及光学系统等偏振特性的主要技术指标。消 光比的测量与评价。主要是对偏光镜本身工作参数进行精确定标，消光比测 量的精确程度将影响到利用偏光镜对各种光辐射的偏振性质进行测量和鉴 别的检测精度，以及利用偏光镜对其他具有偏光变换性质的光学器件和仪器 系统的偏振响应的检测和分析。消光比的精确测定对现代信息技术的发展 有着十分重要的意义。 本文共分五章。第一章为绪论部分。第二章、第三章概述了偏振光的理 论基础知识及偏振器件消光比测量的常用实验方法和原理，并对常用消光比 测量方法的特点作了简单的论述。在第四章结合本所研制成功的“g x c 1 型 高消光比测量系统”的基本原理，并结合先进的计算机控制技术，对该测量 系统进行了完善和优化改进。由于高消光比测量系统中用到j d m 型氮氖激 光光源，其光强稳定性及偏振稳定性对测量结果影响较大。为此，前人曾引 入伺服法来补偿光源波动，但由于采用硬件补偿，补偿实时性并不十分理想。 为此我们首先对此激光光源的稳定性进行了实验测试，翻阅了氦氖激器的工 作原理及许多稳定性解决方案，对各种控制光源稳定性的方法方案进行了详 细分析，并做了大量的仿真计算和实验。在理论分析及实验的基础上，我们 设计了可以满足高消光比测量需要的高性能衰减器，并进行了实验测试证明 了其有效性。在实际测量中采用计算机控制步进电机改变两个偏光棱镜通光 面的夹角来引起衰减倍数的改变，从而使光电探测器工作在线性响应范围之 内。该衰减系统不但实现了光强衰减的自动化丽且可获得相对稳定的圆偏振 摘要 一i i - 光。然后，在针对高消光比测量的特定系统下设计了一套新的采用信号波动 自适应补偿的方案，来进一步消除光源的不稳定性对测量结果的影响。最 后在光源稳定性研究的基础上，对高消光比测量系统进行了改进和优化。测 试系统采用计算机和s r 8 3 0 锁相放大器数据通讯实现了1 6 b i t 微弱信号的 a d 转换，从而实现了强噪声下的微弱光信息实验数据的自动采集，并进 一步进行数据拟合分析，最终计算出待测偏光棱镜的消光比。第五章，我们 分析了所设计系统实验数据的处理方法，数据可能存在的误差来源及减小方 法。本人的主要工作及贡献在于：1 、在前人的基础上对高消光比测量系统 中用到j d m 型氦氖激光光源的光强及偏振稳定性进行了实验测试并进行了 初步的理论分析。2 、首次在高消光比测量系统中引入o e 双输出棱镜来分离 参考光信号和测量光信号。3 、设计了光强连续可调高性能衰减器，并对其 进行了精确定标。4 、首次在高消光比测量系统中引入自适应补偿系统，并 取得了良好的实验效果。5 、在前人对高消光比研究的基础上，结合先进的 计算机技术，基本上实现了高消光比测量及数据处理的智能化。 经过调研得知，现在一般所采用的测量方法只是基于最基本的测量方法 因此不可避免的存在着测试精度等问题。本文利用研制成功的测量系统，对 某些类型的偏光棱镜进行消光比方面的测试，达到了预期的理想效果。 关键词：偏振光学；消光比；智能化测量；氦一氖激光器；激光 光源；连续可调；衰减器；自适应补偿 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fi n t e l l e c t u a l i z e dh i g he x t i n c t i o nr a t i om e a s u r e m e n ts y s t e m ” m a i n l yc a r r i e s 0 1 1t o d e s i g n a p h o t o s o u r c e f o r t h eh i g he x t i n c t i o nr a t i o m e a s u r e m e n ts y s t e m , a n dt os e e ka ne f f e c t i v ew a yt oe l i m i n a t i o np h o t o s o u r c e f l u c t u a t i o n a n dt h e nu n i o nt h ed e s i g n e dp h o t o s o u r c ea n dt h ea d v a n c e dc o m p u t e r t e c h n o l o g yt oe s t a b l i s ha s e to fi n t e l l e c t u a l i z e dh i g he x t i n c t i o nr a t i om e a s u r e m e n t s y s t e m ，w h i c ht e s ts p e e d sq u i c k l y ，d a t ap r o c e s s i n g ，g a t h e r i n g ，a n dt h eo p e r a t i o n a u t o m a t i o n ，a n da l s ot h ed a t ap r o c e s s i n gi sa c c u r a t ea n ds t a b i l i t y t h ee x t i n c t i o nr a t i oi sa ni m p o r t a n to p t i cp o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g yp a r a m e t e r o fm a t e r i a la n do p t i cc o m p o n e n t ，i so n eo ft h em a i np h y s i c a lp a r a m e t e r so f e a c h k i n do f p o l a r i z a t i o nc o m p o n e n t ，c r y s t a la n de a c hk i n do f o p t i c sf u n c t i o nm a t e r i a l ， a n dl a s e rm a t t e rn a t u r e ，a n da l s oi st h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n , w h i c h r e f l e c t e dt h e p o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f r a y r a d i a t i o n s o u r c e ， p o l a r i z a t i o n - p r e s e r v i n gf i b e r , o p t i c a ls y s t e ma n ds oo i l t h em e a s u r e m e n ta n dt h e a p p r a i s a lo ft h ee x t i n c t i o nr a t i oi sm a i n l yt oa c c u r a t ea n dc a l i b r a t eo p e r a t i o n a l p a r a m e t e ro f p o l a r i z e dp r i s mi t s e l f t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo f e x t i n c t i o nr a t i o c a nn o t o n l y i n f l u e n c et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fm e a s u r i n ga n d d i s c r i m i n a t i n ga l lk i n d so fp o l a r i z a t i o no fo p t i c a lr a d i a t i o n , b u ta l s oi n f l u e n c e d e t e c t i o na n da n a l y z ep o l a r i z a t i o nr e s p o n s eo fo p t i c a ld e v i c e sa n di n s t r u m e n t s y s t e mt h a th a v et h et r a n s i t i o n n a t u r eo fp o l a r i z e dl i g h tb ym a k i n gu 辩o f p o l a r i z e r t h e r e f o r e ，a c c u r a t em e a s u r e m e n t o fe x t i n c t i o nr a t i oo fp o l a r i z e dp r i s m h a s v e r yi m p o r t a n tm e a n i n g f o rt h e d e v e l o p m e n to fm o d e mi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ea l t o g e t h e ri sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri st h e i n t r o d u c t i o np a r t i a l t h es e c o n dc h a p t e ra n dt h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e p o l a r i z e dl i # tr a t i o n a l ek n o w l e d g e ，g e n e r a l l yu s e de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ea n d t h ep r i n c i p l eo f t h ep o l a r i z a t i o nc o m p o n e n te x t i n c t i o nr a t i om e a s u r e m e n t ，a n dh a s m a d eas i m p l ee l a b o r a t i o nt ot h em e a s u r e m e n tm e t h o dc h a r a c t e r i s t i ct oe a c hk i n d a b s t r a e t- l i o fg e n e r a l l yu s e de x t i n c t i o nr a t i om e a s u r e m e n t i nt h ef o u r t hc h a p t e r , u n i f i e st h e b a s i cp r i n c i p l eo f g x c - 1m g he x t i n c t i o nr a t i om e a s u r e m e n ts y s t e m ”w h i c hw a s s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db yo u ri n s t i t u t ea n du n i o na d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g y ，w ec a r r i e do nt h ec o n s u m m a t i o na n do p t i m i z e di m p r o v e m e n tt ot h i s m e a s u r e m e n ts y s t e m b e c a u s et h el i g h tp o w e rs t a b i l i t ya n dt h ep h o t o s o u r c e p o l a r i z a t i o ns t a b i l i t yo fj d - i i ih e n el a s e r ，w h i c hu s e db yt h eh i g l le x t i n c t i o n r a t i om e a s l l r e m e ms y s t e m ，a l s ot h e p l x o t o s o u r c ei n s t a b i l i t yi n f l u e n c et ot h e m e 嬲u r e m e mr e s u l ti sb i g t h ep r e d e c e s s o ro n i n t r o d u c e ds e w om e t h o dt oc o m p e n s a t e t h ei n s t a b i l i t yo fp h o t o s o u r c e b u tb e c a u s ei tu s e dt h eh a r d w a r et o c o m p e n s a t e ， c o m p e n s a t e dt i m e l i n e s si sn o ti d e a l t h e r e f o r e ，w ef i r s tt h ec a r r i e do nt h e e x p e r i m e n t a lt e s tt oj d - i i ih e - n el a s e rp h o t o s o u r e es t a b i l i t y ，g l a n c e dt h r o u g h t h ew o r k p r i n c i p l eo fh e - n el a s e ra n dm a n ys t a b i l i t ys o l u t i o n s a l s o ，h a sc a r r i e d o nt h em u l t i a n a l y s i st oe a c hk i n do fp h o t o s o u r e es t a b l ec o n t r o ls o l u t i o n sa n d m a d et h em a s s i v es i m u l a t i o n sc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t s i nt h ef o u n d a t i o no f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t s ，w ed e s i g n e dah i g hp e r f o r m a n c ea t t e n u a t o r ， w h i c hc o u l dm e e t 8t h en e e do ft h eh i 【曲e x t i n c t i o nr a t i om e a s l l r e m e ms y s t e m ，a n d c a r r i e do nt h ee x p e r i m e n t ，w h i c hh a s p r o v e n i t sv a l i d i t y i nt h ea c t u a l m e a s l l r e m e m ，w eu s et h ec o m p u t e rc o n t r o ls t e p p e rm o t o rt oc h a n g et h el i g h tp a s s s u r f a c e sa n g l eo f t w op o l a r i z e dp r i s m st oc a u s et h ew e a k e nm u l t i p l ec h a n g e t h u s ， c a u s e st h ed e t e c t o rw o r ki nt h el i n e a rr e s p o n s es c o p e t h i sw e a k e ns y s t e mn o t o n l yr e a l i z e dt h ea u t o m a t i o no ft h el u m i n o u si n t e n s i t yw e a k e n ，b u ta l s ot ob e p o s s i b l et oo b t a i nar e l a t i v e l ys t a b l ec i r c u l a r l yp o l a r i z e dl i g h t i no r d e rt of u r t h e r e l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fp h o t o s o u r c ei n s t a b i l i t yt ot h em e 跏e m e n tr e s u l t ，w e a i m e da tt h es p e c i f i ch i g he x t i n c t i o nr a t i om e a s l l r e m e n ts y s t e m ，d e s i g n e dan e w m e t h o d ，w h i c hc o m p e n s a t e st h el i g h tw a v es i g n a la u t o - a d a p t e d f i n a l l y ，i nt h e f o u n d a t i o no fp h o t o s o u r e es t a b i l i t yr e s e a r c h ，w em a d et h ei m p r o v e m e n ta n d o p t i m i z a t i o nt ot h eh i g he x t i n c t i o nr a t i om e a s l l r e m e n ts y s t e m u s e dt h ec o m p e e r a n dt h es r 8 3 0p h a s e 1 0 c ka m p l i f i e rd a t ac o m m u n i c a t i o nr e a l i z e dt h e1 6 b i t 刖d t r a n s f o r m a t i o no fw e a ks i g n a l ，t h u s ，r e a l i z e dt h ea u t o m a t i cg a t h e r i n go fw e a k l i g h ti n f o r m a t i o ne m p i r i c a ld a t u mu n d e rs t r o n gn o i s e ，a n df u r t h e rc a r r i e so nt h e d a t af i t t i n ga n a l y s i s ，f i n a l l yc a l c u l a t e st h ee x t i n c t i o nr a t i oo fp o l a r i z e dp r i s m a b s t r a c t - 1 1 1 一 s a m p l e i nt h ef i f t hc h a p t e r ，w ea n a l y z e dt h ed a t u mp r o c e s s i n gm e t h o d ，t h ee r r o r s o u r c ew h i c ht h ed a t ap o s s i b l ye x i s t e da n dt h ee r r o rr e d u c em e t h o do ft h e d e s i g n e ds y s t e m 1 1 1 em a i nw o r ka n dt h ec o n t r i b u t i o no fm y s e l fa st h ef o l l o w s s l a t e s ：f i r s t , i nt h ep r e d e c e s s o r sf o u n d a t i o n , c a r r i e so nt h ee x p e r i m e n ta n dt h e p r e l i m i n a r yt h e o r e t i c a la n a l y s i st ot h el i g h ti n t e n s i t ya n dt h ep o l a r i z a t i o ns t a b i l i t y o fj d i i ih e - n el a s e rp h o t o s o u r e ew h i c hi su s e db yt h eh i g he x t i n c t i o nr a t i o m e a s u r e m e n ts y s t e m s e c o n d ，i nt h eh i g l le x t i n c t i o nr a t i om e a s u r 廿n e n ts y s t e m ， f o rt h ef i r s tt i m e ，i n t r o d u c et h eo ed o u b l eo u t p u tp r i s mt os e p a r a t et h er e f e r e n c e l i g h ts i g n a la n dt h es u r v e yl i g h ts i g n a l t h i r d ，d e s i g n e dah i g hp e r f o r m a n c e a t t e n t u a t o rw h i c ht ob ep o s s i b l et oa d j u s tt h el i g h ti n t e n s i t yc o n t i n u o u s l y ，a n dh a s c a r r i e do nt h ep r e c i s ec a l i b r a t i o nt oi t f o u r t h ，f o rt h ef i r s tt i m e ，i n t r o d u c e s a u t o a d a p t e dc o m p e n s a t es y s t e mt oh i g he x t i n c t i o nr a t i om e a s u r e m e n ts y s t e m a n dh a so b t a i n e da g o o de x p e r i m e n t a le f f e c t f i f t hi nt h ep r e d e c e s s o r sf o u n d a t i o n , u n i f i e st h ea d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , b a s i c a l l yr e a l i z e st h et e s ta n dt h ed a t a p r o c e s s i n gi n t e l l e c t u a l i z a t i o n ， a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o na n ds t u d y , w ef i n dt h a tt h em e a s u r e m e n tm e t h o d w h i c hg e n e r a l l yu s e do n l yb a s e do nt h em o s tb a s i ct e s tm e t h o d ，t h e r e f o r e ，t h et e s t p r e c i s i o np r o b l e ma n ds oo ni si n e v i t a b l e i nt h i sa r t i c l ew e u s e dt h es u c c e s s f u l l y d e v e l o p e dm e a s u r e m e n ts y s t e mt oc a r r yo nt h ee x t i n c t i o nr a t i om e a s u r e m e n tt o s o m et y p e so f p o l a r i z a t i o np r i s ma n da c h i e v e dt h ei d e a le f f e c t k e y w o r d a ：p o l a r i z a t i o no p t i c s ；e x t i n c t i o nr a t i o ；i n t e l l e c t u a l i z e d m e a s u r e m e n t ；h e n el a s e r ；l a s e rp h o t o s o u r c e ； c o n t i n u o u s l y - a d j u s t a b l e ；a t t e n u a t o r ；a u t o a d a p t e dc o m p e n s a t e 第一章绪论第1 页 第一章绪论 从上世纪6 0 年代起，特别是在激光、光导纤维问世以后，偏振光学这 门古老的学科又焕发了青春，并以空前的规模和速度发展。偏振光学技术已 经渗透到与光学技术有关的各个学科领域，如传统的选矿技术，光纤通信所 用到的光隔离器光信息领域，激光技术领域，光弹技术观测晶体材料内部应 力的大小和分布等许多领域都涉及到偏光技术。此外，偏光技术还具有更加 广阔的用途：电光、磁光、液晶、光传感、光开关、光存储、外差探测、薄 膜参数测量、物质结构探测、生物细胞荧光测量，图像识别、乃至最新的生 物芯片探测，偏振光的应用无处不在。激光偏光技术和其他现代偏光技术主 要采用棱镜偏光镜。这类偏光镜具有消光性能好、透射比高、抗损伤闽值大、 使用波段宽等一系列特点，近年来发展十分迅速。 消光比是表征材料和光学器件一项重要的光学偏振技术参数，是表征 各类偏振器件、晶体和各种光学功能材料、激光物质性能的主要物理参数 之一，也是反映光辐射源、保偏光纤及光学系统等偏振特性的主要技术指 标。消光比的测量与评价，主要是对偏光镜本身工作参数进行精确定标，消 光比测量的精确程度将影响到利用偏光镜对各种光辐射的偏振性质进行测 量和鉴别的检测精度，以及利用偏光镜对其他具有偏光变换性质的光学器件 和仪器系统的偏振响应的检测和分析| 1 , 2 , 3 a 】，消光比的精确测定对现代信息 技术和激光技术的发展有十分重要的意义。譬如在激光技术中纵向、横向 电光调制，电光相位调制等方面都需要用到偏光棱镜，同时对偏光棱镜的 消光比参数提出了严格的要求，在非常成熟的调q 技术中，带偏振器件的 电光调q 器件是应用非常广泛的器件，其工作原理简单，操作方便，这项 技术的本身决定了要使用消光比较高的偏光棱镜，带偏振棱镜的脉冲透射 式( p t m ) 调q 激光技术中，充分运用了偏光棱镜透射和反射光束振动面 相互垂直的特点，非常巧妙的实现了调q ，从而获得较大的输出功率。同 时在激光锁模、选模、自注入放大等方面，偏振器件也具有非常广泛的用 途。总而言之，偏振器件在现代激光技术中具有不可替代的用途，因此作 第一章鳍论第2 页 为产生偏振光的重要器件偏光棱镜的性能参数测量就具有非常重要 的意义。而消光比参数是偏光器件的一个核心参数，现代高精密的技术中， 对消光比参数的标定提出了更高的要求。 对于偏光棱镜消光比的测量从十九世纪已经开始了，并取得了许多可 行的方法，但是所得到的消光比的精度都不够高，其主要原因与当时探测 器的精度低，单色光源和强光光源的获得受到限制有极大的关系。以前的 科技工作者提出了一些关于消光比测量的理论和方法，如双棱镜测试法【4 】 ( 结构和性能完全相同和不同两种情况) 及偏振干涉法测量偏振器件消光 比等方法，并给出了切实可行的测量步骤。曲阜师范大学激光研究所成功 研制了 g x c - l 型高消光比测量系统【5 墉确地测出了偏光镜的消光比参数， 其测试精度较之传统实验方法提高了近三个数量级，测试精度达l o ，该仪 器被国家计量院认定为我国消光比测量的标定仪器，使我国激光偏光测量技 术提高到一个新的水平。但是该实验系统还存在一些缺陷，由于设备多，操 作麻烦，测试过程复杂，另外系统采用模拟量，非数字显示，对测试环境的 要求苛刻，外界因素稍微有变动，就会对实验结果有影响，这种高精度消光 比测试系统在实际应用中就受到一定限制，不易大批量的在科研和生产中推 广应用。因此又研制了 z x c 1 型智能化消光比测量仪 7 1 定，常规测量一 般精度在1 0 4 t o - 6 已完全可以满足要求。是一套普及型自动化消光比测量 系统，利用计算机进行步进电机的驱动和数据的采集与处理，实验操作简单， 弥补了前面介绍的测量系统的不足，实现了光、机、电、算一体化测量，并 取得了良好的实验结果。但仍存控制精度、稳定性不够、测量噪声大、精度 不高等问题。随着科学技术的高速发展，原有的系统已落后于时代科技的发 展，况且原有系统不能实现高精度消光比的全自动测量。通过查询及调研了 解，我所已在偏光器件消光比测试方面做出了大量的工作。另外在调研学习 中发现，许多生产激光晶体的单位在提供晶体性能参数时，都给出该晶体的 消光比，譬如前面提到的带偏振器件的电光调q 开关中对电光晶体的要求就 是3 , 4 电压低、消光比高、激光波长处吸收系数小等，此外，若掺铷钇铝石 榴石晶体内部有残留应力，或者是热不均匀引起的应力，会使本来各项同性 的物质出现双折射，表现出各项异性，通过对该晶体消光比的测试，可以衡 第一章绪论第3 页 量整个晶体棒由于残留应力双折射造成的退偏作用的大小由此可见消光比 是表征晶体性能优劣的一个重要参数，经过了解具体询问，发现他们所采用 的测试方法只是基于最基本的测试手段，因此不可避免的存在着测试精度问 题。 众所周知，测量光源的不稳定性，对高消光消光比的测量精度有直接影 响。而实验所用的全内腔h e - n e 激光器发出的激光光源，因发光机理的原因， 不但光源光强本身不稳定，而且光强随方位角的不同也随时间起伏1 8 , 9 , 1 i 。 在高消光比测量及一些相关测量中要求光强起伏控制在1 以内，在相对测量 的时间里应稳定在2 o 以内，所以由激光器发出的激光光源无法直接作为高 消光测量系统的测量光源。本论文利用本单位自身的优势，在前人的研究基 础上对如何获得高质量的测量光源进行了深入研究，结合先进的计算机控制 技术对g x c 1 型高消光比测量系统进行了改进和优化，实现了高消光比 测量的智能化、自动化、数字化，并利用改进之后的系统对某些类型的偏光 棱镜进行了消光比方面的测试。 第二章偏振光的理论基础第4 页 第二章偏振光的基础理论 偏振是各种矢量波共有的一种性质，偏振是指用一个场矢量来描述空 间某一个固定点所观测到的矢量波( 电场、应变、自旋) 随时间变化的特 性。偏振光的数学描述一般有四种方法，分别是1 、电矢量分量表示法2 、 琼斯矩阵矢量表示法3 、斯托克斯矢量表示法4 、邦加球作图法。它们各 具有自己的特点，在实际运用中选择合适的表示方法可以使计算过程简 化，下面对这几种方法作一简单的介绍。 2 1 电矢量分量表示法n 2 1 3 】 电矢量分量表示方法是以经典波动理论为基础的一种方法。在笛卡儿 坐标系里设一单色平面偏振波沿z 轴传播，在x 轴和y 轴的两矢量为 最，豆，三个电矢量分量为： 厂或= a c o s ( m t 一垃+ 以) _ 毛= a c o s ( 耐一拓+ 万y ) ( 2 1 1 ) 1 l e = 0 其中4 ，口是光波矢量的振幅，以，瓯分别是e z ，e y 两分量的初相位，七 为波矢量大小，又称空间圆频率，功为时间圆频率。 当用复数指数表示可使运算大为简化，( 2 1 1 ) 式中的e ，q 两分量可 以写为： ( 2 1 2 ) 以 哆 一、它 一 一 加 = = 或髟 、(l 第二章偏振光的理论基础第5 页 一般情况下合成电矢量末端的轨迹为一椭圆。其表达式为： ( 钳阿一警c o 加s i n 2 j( 2 1 3 ) 其中j = 占，一蛾表示或，豆，分量的相位差。上式表示电矢量末端的运 动轨迹是一个在x ，y 方向分别取值为a ，b 所描绘的矩形的一个内接椭圆。 当万；0 或万时( 2 1 3 ) 式可整理为： n b = 亏e ( 2 1 4 ) 这是直线方程。由于或，豆。的变化范围分别限制在a ，口之间，电矢 量端点的轨迹是以e = 爿，e ，= b 为界的矩形的对角线。j = 0 时取j 下号， 轨迹是一、三象限的对角线，艿= ，时取负号，轨迹是二、四象限的对角 线。这两种情况下合成的偏振态仍然是线偏振的，其振幅为彳2 + 曰2 ，振 动方向由下式决定： m n 0 ：旦( 2 1 5 ) 4 当万= 妥时( 2 1 3 ) 式可整理为： ( 和( 铲 ( 2 1 6 ) 这是标准的椭圆方程，其主轴分别沿x ，y 方向，与上述矩形框内切。 当a = b 时，矩形框变为正方形框，椭圆变为与此框内切的正圆。矢量末 端的旋转方向取决于艿的取值a 当= 三时电矢量的旋转方向沿顺时针方 向( 左旋) ，当万= 一三时，电矢量的旋转方向沿逆时针方向( 右旋) 。具 体如图2 1 i 第二章偏振光的理论基础第6 页 占= 一万 第三象限声= 一第四象限 困困囹囫 团8 = 0 国囤函茵 图2 1 1 2 2 偏振光的琼斯矢量表示方法n 毛1 3 1 1 9 4 1 年j o n e s 首先提出用一个更为简单的矢量表示偏振光。用一个二 行一列的矩阵来表示偏振光，这个矢量成为琼斯矢量。它是一个二元矢量， 它描述的是沿光传播方向上的某点以复振幅分量表示的偏振态，其定义 为： 菪 = e “- k z 老耋 = e “b + 以 。 c z 2 t ， 其中j = 艿。一占。，由于相位是2 石的周期函数，规定相位差艿的主值的 取值范围是：一1 万l ，当一万 占 0 时，y 分量落后于x 分量，反之 当0 i i 墨e 2 一 ： ls 2 未2 ( 2 3 1 ) l 、s 3 = 2 ( e i ey s i n ( 6r 一6 ，p 上式中的 是振幅分量e 。平方的时间平均值。 ( 玖) = f 盯d f ( 2 3 - 2 ) ( 2 3 2 ) 式中t 是长到足以使时间平均积分与t 本身无关的时间问 隔。( 2 3 1 ) 式经过数学变换之后& ，墨，s ：，岛所表示的物理意义就非常明显。 & 给出光波的总强度，。s ，是给出x 分量和y 分量的强度差。s 。 o 时 说x 方向的分量强度强于y 方向的分量强度。墨 o 时，说明沿三方向的偏振的分量的强度大于沿 一三4 方向的偏振分量。岛 0 时说明沿右旋分量 强度大于左旋分量强度。s s + = a 2 = & i ls - - - 一 = 晶c o s 2 8 c o s 2 e ( 2 3 6 ) i s 2 = 2 r e e x e y 氏s i n 2 8 c o s 2 s i ls 3 = 2 = 瓯s i n 2 e 则s t o k e s 矢量为： s ；慨，s o c o s 2 0 c o s 6 , s os i n 2 0 c o s 2 占，s o s i n 2 占 ( 2 ，3 7 ) 由几何关系可以看出，全偏振光波的s t o k e s 矢量满足： & 2 = s 2 + s 2 2 + s 3 2 ( 2 3 8 ) 全偏振分量椭圆方位角矾占的关系可由s t o k e s 矢量得到： p = 吉删爷。扣n c 志， 旺3 鲫 由s t o k e s 矢量的物理意义可知：全偏振分量的强度为： ( s ，2 + s 2 2 + s 3 2 ) i ( 2 3 1 0 ) 光的偏振度定义为： ，：鳋墨! 型( o p 1 ) ( 2 3 1 1 ) s t o k e s 矢量可以写成用p 表示的形式： 第二章偏振光的理论基础第1 0 页 s = i i ，p c o s 2 0 c o s , p s i n 2 0 c o s 2 6 , p s i n 2 6l ( 2 3 1 2 ) 偏振态可由偏振度pf ，口决定。s t o k e s 子空间中的准单色光波偏振态是 由一个极坐标为( p 互一2 s , 2 8 ) 的点来表示。他所具有除邦加球一样的性质 7 - 之外，还具有以下的性质： ( 1 ) 原点的物理性质，即p - - o ，则表示非偏振态 ( 2 ) 除原点之外，单位球内的任意一点o 0 即上半球面的点，代表右旋椭圆偏振光 ( 2 ) 占 b 。 显然，如果入射光是完全偏振光，则旋转待测偏光镜测量其主截面与入 射光振动方向平行和垂直时的主透射光强，即可得到t 。和t 2 ，从而定出待测 偏光镜的消光比。实验原理如图3 1 1 所示： 激光器起偏器p 待测棱镜p 。 口区卜即医五卜 堑习 图3 1 1 消光比测量的一般方法原理图 通过调整和旋转起偏器，使从起偏器透射出的光强强度最大。然后引 入待测棱镜，以光线为轴不断旋转待测棱镜，通过探测器的读数可以得到 两个极即极大值t l 和极小值t 2 。根据定义p = t 2 t 1 即可测定待测棱镜的消 光比。 3 2 双棱镜法的测量原理m 伽 该方法只需要两只待测棱镜和一般的准直探测系统，结构简单操作方 便，但是容易受外界的干扰，影响了所测量数据的准确性，一般情况下不 再使用这种方法。， 3 2 1 两只待测棱镜的结构和性能完全相同的情况 设t i 和t 2 分别为两只偏光器件在主透射方向和主消光方向上的透射比， t v 和t h 分别为光源系统沿垂直和水平方向上的有效透射比，i o 为光源的辐射 总强度。待测量为： ( 1 ) 光路空载的信号强度s o = 去。( 瓦+ 瓦) ( 3 2 i ) ( 2 ) 单只棱镜在光路中竖直取向时的信号强度 1 s = 厶( 瓦五- i - 瓦正) ( 3 2 2 ) ( 3 ) 单只棱镜在光路中水平取向时的信号强度 1 瓯= 毒厶( 五互4 - 瓦墨) ( 3 2 3 - ) ( 4 ) 两只棱镜在光路中正交放置时的信号强度 1 瓯，= & 五正= 寺厶( 瓦五正- t - 瓦五正) ( 3 2 4 ) 联立( 3 2 1 ) ( 3 2 4 ) 式得： 于是，消光比尸2 等4 f 互鬲1 。2 6 【 岛j 、瓯，7 1j 1j 溉一跗 戍一堋 瓯一+ s 一一 蛐一 蛐一 & 一 乜一， 潲墨 一岛 第三章消光比测量的几种常用方法第1 5 页 3 2 2 两只待测偏光棱镜性能不同的情况 这是普遍的情况，设待测偏光镜分别为a 和b ，t l 、t 2 和t l 、t 2 分别 表示两镜在主透射和主消光方向的透射比，s v h 、s h v 和s 。、