（电子科学与技术专业论文）基于虚拟仪器的偏振态测量技术的研究.pdf

a b s t r a c t a f t e rt h el a s e ra p p e a r s i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fl a s e rt e c h n o l o g y t h ea n c i e n t o p t i c sh a sa l r e a d ya d v a n c e di n t ot h ef r o n to fm o d e ms c i e n c et e c h n o l o g yr e l i e do ni t sd a z z l e d d e v e l o p m e n ts p e e d i n c e s s a n t l ye m e r g i n gr e s e a r c hr e s u l t sa n dg r e a tp o t e n t i a lo fi t s e l t h e t e c h n o l o g yo fl i g h tp o l a r i z a t i o na st h en e w b r a n c ho fo p t i c sd i s c i p l i n e h a v eb e e np e r m e a t e d a n de x p a n d e dt oe a c hd o m a i no fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o n s d e v e l o p i n gt ob ea u n i q u ee m e r g i n gt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yo ft h e p o l a r i z a t i o nm e a s u r i n g i st h ef o u n d a t i o no fp o l a r i z a t i o n a p p l i c a t i o n t h es c o p eo fp o l a r i z a t i o na p p l i c a t i o n sh a sw i d e s p r e a d e dd a yb yd a ys i n c eh a l f c e n t u r y p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f p o l a r i z a t i o n a n d t h em e t h o d so fp o l a r i z a t i o nm e a s u r i n ga r ea l s ou n c e a s i n g l yd e v e l o p i n ga n di m p r o v i n g h o w e v e r t h ec o m m o ns y s t e mo fp o l a r i z a t i o nm e a s u r i n go f t e ns t r e s s e so nt h ed e s i g na n d a n a l y s i so fr a y sp a t h l a c k sf a s ta n dc o n v e n i e n tp l a no fh a r d w a r ed e s i g na sw e l la st h e m e t h o do fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tw h i c hi sr i c h e x t e n d i b i l i t ya n ds t r o n g t h e r e f o r e t h i sa r t i c l et a k et h em e t h o do fp h a s ed e l a ym o d u l a t i o na st h em e a s u r i n g p r i n c i p l e i n t e g r a t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb yt h em o n o l i t h i c c o m p l e t et h ep r o c e s s i n ga n d t h ed e m o n s t r a t i o no ft h em e t r i c a ld a t ab a s e do nt h er e l i a b l el a b v i e wp l a t f o r m a tl a s t d e v e l o p e dt h es y s t e mo fp o l a r i z a t i o nm e a s u r i n gb a s e do nv i s u a li n s t r u m e n t p r o v i d e da r e l i a b l y s i m p l e t h eq u i c kp l a nf o rt h eh i g hs p e e da n dt h ep r e c i s es t a t e o fr e s e a r c ho f p o l a r i z a t i o nm e a s u r i n g k e yw o r d s m e a s u r e m e n to fp o l a r i z e ds t a t e s t o c k e sv e c t o rv i r t u a li n s t r u m e n t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的硕士学位论文 基于虚拟仪器的偏振态测量技术 的研究 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 除文中 已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标 明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者签名 j 堡竺塑 迎年立月丝日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解 长春理工大学硕士 博士学位论文版 权使用规定 同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所 中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 也可采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名 馅塑 迎年三月 日 聊躲丝坠 业年立月丑日 第一章绪论弗一早瑁记 6 0 年代激光的发明和发展 引起了光学的一次革命 激光技术的应用范围日益扩 大 并形成了许多新型技术如 大气激光通信 光纤通信 光全息技术 激光加工技 术 光传感技术及光调制技术等 为了将这些技术进一步发展和运用 光偏振技术作 为光学技术新的分支开始越来越多的受到重视 如今 偏振技术不但应用于物理 光 学 通讯学 天文学等领域 它在光纤传感 偏振器件研制 乃至生物科学及材料科 学等领域也应用广泛 偏振检测是偏振技术应用的首要问题 随着计算机技术的发展以及与光电子技术 的结合 使光学测量的手段发生了不小的变化 各种偏振检测方法纷纷出现 偏振特 性的测量仪器也应运而生 1 1 论文研究的目的和意义 1 偏振是光波的基本特征之一 我们知道 波动分两种 当波的传播方向与振动方向相同时称为纵波 当传播方 向与振动方向垂直时称为横波 光的干涉和衍射现象揭示了光的波动性 但还不能确 定光是纵波 还是横波 而光的偏振现象则进一步确定了光是横波 可见 光的偏振 特性对于光本身具有重要意义 所谓偏振 是指波的振动方向相对于传播方向的不对称性 它是区别于纵波最明 显的特征 光束的偏振特性是指光束的偏振状态 物质的偏振特性是指光束经物质透 射或反射时偏振状态的改变 光学器件如偏振器 波片等偏振特性是指相位延迟 消 光比 透射比和均匀性等n 2 光波偏振态的检测是偏振光应用中的一个重要问题 光调制技术是继激光器出现后 利用激光较好的时间相干性和空间相干性将外来 信息转换为光波参量 振幅 频率 相位 的变化而进行信息传递的一种新技术 偏 振作为光的本质属性之一 不仅与其他属性如振幅 频率 相位等具有相同的地位 同时它也可以作为信息调制的载体 实现光的偏振调制 当物体发生发射 辐射 反 射或散射时 光束的偏振态携带了物体本身大量的信息 调制过程就是使偏振光与待 测物体发生相互作用而将物体的信息加载到光束偏振态上的过程 解调过程就是对偏 振态的测量和分析 由此获取待测物体的信息 从这方面来看 对光束偏振态的检测 具有十分重要的应用意义 利用光波作为载体进行通信的历史由来己久 2 0 世纪6 0 年代初激光器出现后 用 激光代替普通光源 因其高光亮度 较强的方向性 较好的单色性和相干性等特点 使光通信得到了较快的发展 主要有大气通信和光纤通信等 大气激光通信是以大气为传输媒介的通信方式 与传统的通信方式相比具有通信 容量大 传输效率高 保密性强等优点 传统的光调制方法有激光强度调制 激光频 率调制和激光相位调制 近年来 随着光通信技术和偏振技术的发展 逐步地将激光 的偏振特性应用在了大气激光通信系统中 发挥激光偏振调制的优势 在原有技术基 础上 提高大气激光通信的质量 为此 需要对通信系统中激光光束的偏振特性进行 准确的测量 7 0 年代初 低损耗光纤的研制成功 使大气通信的研究重点转移到光纤通信上 在光纤通信系统中 系统及器件的偏振特性是影响传输质量的主要因素 为衡量系统 的性能 必须对偏振特性进行准确测量 包括偏振模色散 p m d 偏振相关损耗 p d l 和偏振相关增益 p d g 其中 由于p m d 直接影响系统的传输容量和传输距离 对p m d 的测量成为一个基本问题 而p m d 的检测效果依赖于光纤输出光束的偏振态 因此对 输出光的偏振态进行检测成为一个重要的实验环节 3 偏振态测量技术得到广泛应用 目前 偏振态测量技术已经广泛应用于物理 光学 光工程学 电子 通讯学 天文学 材料科学 化学 生物和医学等领域 例如 在半导体加工业中 实时在线 监控薄膜的厚度 在脉冲加热测量材料热物性中 测量材料的法线光谱发射率 在光 测弹性方法中测量机械结构的应力分布等 此外 偏振光的分析在很多应用领域内也 成为一个非常重要的诊断工具 例如 在天文领域内 用太阳光谱某一部分的偏振分 析测量太阳电磁领域 在化学工业里 利用偏振光测量溶液的浓度 在机械工业中 分析机件内部应力分布情况等 此外 偏振检测更广阔的应用前景如电光 磁光 液 晶 光通讯 光开关 光调制 外差探测 薄膜参数测量 生物细胞荧光测量 图像 识别 乃至最新的生物芯片探测等 可以说 偏振检测技术的应用无处不在 1 2 国内外发展概况 针对偏振测量技术的研究 国外起步较早 采用各种方法设计的偏振测量仪现都 已商品化 这些测试仪器通常功能较多 体积庞大 价格昂贵 机械转动调制法是最早的偏振测量方法 它的测量光路由偏振片和波片组成 通 过机械 电机 带动波片旋转 来改变光轴与偏振片透光轴的相对角度 实现光束偏 振测量 韩国f i b e r p r o 公司的s a 2 0 0 0 偏振态测量仪 可以测试和分析激光在器件中 的偏振相关性能如偏振态 偏振度 消光比和邦加球夹角等 主要应用在通过监测激 光在器件中的偏振状态来鉴定偏振敏感性设备的性能 或者保偏光纤及相关设备的排 布和调试上 美国t h o r l a b s 公司研制生产的p a x 5 7 1 0 t 系列偏振测量仪则由u s b 接口 t x p 5 0 0 4 机箱 p a x 5 7 1 0 系列模块和外置偏振探头组成 如图 1 1 测量波长范围可 以通过添加模块和探头方便地进行扩展 应用于自由空间或光纤光偏振测量消光比测 量偏振度测量 2 图1 p a x 5 7 1 0 一t 系列偏振测量仪 利用这种方法设计的检测系统 虽然结构简单 但也因为存在机械运动而导入了 振动误差 精度不高 在某些领域这种方法会给操作者带来很大的不便 目前 国内 的偏振检测系统多数还是基于这种机械转动调制的单光路测量 利用分振幅方法测量光束偏振态 是由美国科学家rmar z z a m 首先倡导并发展 起来的 它是通过振幅分割的方法将一束入射光分解为四束出射 分束后的每 束光 中部携带有不同的偏振调制信息 出射光束由统一定标的探测器接收 没有 7 转动韶 件 在原理上实现了动态实时测量 2 多年来 分振幅偏搌测量法有了很大的发展 国外的一些厂商也已经推出多款商品化的分振幅光偏振测量仪 d a p 美国坛1 l e n t 公司生产的8 5 0 9 系列偏振态测试仪就是采用这种方法设计的 图 12 j 8 5 0 9 系统中 光纤环的设计实现了宽谱测量范围 1 2 5 0 1 6 0 0 n m 提高了偏振相关损耗和偏振相关 增益等功率效感应用的测量精度 垦重 圈1 28 5 0 9 系列偏振态测试仪 采用这种方法的好处在于系统中不存在机械转动部件 系统的稳定性较好 而且 理论上可以实现实时测量 但是此种方法结构复杂 在测试偏振度较低的光束时误差 较大 且测量的光谱范围较窄 国内目前在该领域研究的如哈尔滨i 业大学 黑龙江 大学和浙江大学 其中 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的李力 刘旭 李海 峰建立了应用分光棱镜分振幅光度式偏振测量系统 由美国m e a d o w l a r k 公司生产的l c p m 3 0 0 0 液晶型偏振测量仪在偏振测量技术的 基础上 将液晶技术融入其中 利用液晶相位可变延迟器代替旋转的波片 而且专有 的 美国专利6 7 4 4 5 0 9b 2 算法保证了测量和标定的高精度 是一款代表当今最高技 术水准的紧凑型产品 服务于从科研实验室到工业生产过程的各类应用领域 可预见 这种仪器的需求度将与日但增 并随着激光技术的发展占有很大的市场空间 如图 13 所示 图l3l c l 3 0 0 0 液晶型偏振测量仪 目前 国内在这个领域的研究比较落后 尚没有同类产品面t 为此 本文设计 的偏搌态测量系统在光路设计部分参考l c p m3 0 0 0 型测量仪的测量原理 结合液晶技 术 在虚拟仪器平台上实现光束偏振态的准确 实时测量 13 论文研究内容 鉴于目前偏振检测系统只偏重光路设计的特点 本文的主要任务是在进行偏振检 测方法研宄的同时 设计一种基于虚拟仪器平台的新型检测系统 本文设计的检测系统 光学部分采用液晶相位可变延迟器实现电光调制 数据采 集部分以单片机为核心 软件部分在虚拟仪器平台上利用l a b v i e w 的强大功能完成数 据从通信 分析 处理 显示到存储的整个过程 与其他测量系统比较 具有测量精 度高 速度快 范围宽 仪器界而友好等特点 第一章为论文的绪论部分 介绍了本课题研究的必要性 总结目前国内外发展现 状 制定出本论文要研究的主要内容 第二章作为讨论偏振检测的方法曲基础 这一章主要介绍了光偏振的基础理论 包括偏振态的定义 分类以及描述方法 第三章丰要研究了现行的几种偏振检测方法 并在此基础七借鉴现有测量系统的 优点完成了光学部分的设计 第四章为系统电子学硬件设计部分 将硬件电路划分为各个实现模块 对每一个 实现模块的功能 元器件选取以及实现电路进行逐一设计 第五章为系统的软件设计部分 根据l a b v l e w 编程语言的特点 在虚拟仪器平台 上实现系统测量数据处理 并将处理结果生动形象的显示在用户界面 充分体现虚拟 仪器较传统仪器的优越性 第六章利用本系统搭建测试实验 并将其与实验室同类仪器相比 给出实验结果 2 1 光波的偏振态 第二章光波偏振的基础理论 光是一种电磁波 是传播中的电场和磁场 其中 电场和磁场彼此互相垂直 且 又都垂直于光的传播方向 由于光的许多方面的效应主要通过其电场的作用表现出来 所以常把光波的电场强度 矢量 称为光矢量 在垂直于光波传播方向的平面内 光矢量可能有不同的振动方向 光波的振动方 向相对于传播方向的一种空间取向称为偏振 通常把光矢量保持一定振动方向上的状 态称为偏振态 光按光矢量振动状态的不同 可分为自然光 部分偏振光和完全偏振 光 2 1 1 自然光 通常光源 如太阳 电灯等 发出的光波 其电矢量的振动在垂直于光的传播方 向上随时间完全无规则的随机分布 这就是自然光 自然光的振动方向具有随机性和 不可预见性 换言之 尽管某一时刻的振动状态己知 仍不能推断下一时刻光的振动 方向 但是宏观 自然光包含所有可能方向上的振动 而且从统计学角度来看 在空 间所以可能的方向上 光矢量的分布可看作机会是均等的 无论那一个方向的振动都 不比其他方向更占优势 自然光可以用两个大小相等 相互垂直 无相位关联的光矢 量来表示 却不能将它们合成 2 1 2 完全偏振光 自然光在传播过程中 通过物质的折射 反射或散射等作用后 造成光矢量各个 振动方向上的强度不等 如果这种强度变化具有规律性 这就是完全偏振光 对于任 意的完全偏振光都可看作是两束振动频率相同 振动方向互相垂直 具有固定相位差 的光矢量的合成 这两个光矢量之间的位相关系决定了光的不同偏振态 1 椭圆偏振 假设光束沿z 轴方向传播 电矢量分别在x 轴和y 轴方向振动 平面波方程如下 e e oc o s f 磊 2 1 式中 f c o t k z 写成电场矢量三个分量的形式如下 i e e oc o s 2 4 b e o c o s f 谚 2 2 ie o 6 将上式中整理 消去参量f 0 i 寻 去 2 霹 专 2g 一2 最专c s 万 n 2 万 上式中 艿 8 2 4 计算方程的系数行列式得 1 e 2 0 0 c o s 万 e o x e q y c o s 艿 e o x e o v 1 e 2 一o j 粤 o e 2 0 x e 2 0 y 一 2 3 2 4 行列式的值大于零 说明电矢量的矢端轨迹是椭圆 也就是说 沿着光波的传播 方向 在任意的某时刻 将空间各个点电矢量的末端投影在x y 平面上 则得到的投影 是一个椭圆 如图 2 1 所示 图2 1 椭圆偏振光 1 3 根据磁场矢量与电场矢量的关系 z o 而h 写成磁场矢量三个分量的形式如下 2 5 驴肛嘞c o s 刚 驴辱砜c o s 刚 h 0 2 6 同理 磁场矢量的矢端轨迹也是椭圆 称这种电磁波为椭圆偏振光 椭圆偏振光 在传播过程中 光矢量的大小和方向均规则变化 且椭圆的形状也随相位差万的改变 而不同 当s i n 8 o 时 迎着光波的方向看去 电场矢量呈顺时针方向旋转 称为右旋 椭圆偏振光 反之 当s i n 8 0 时 为左旋椭圆偏振光 椭圆的形状随万变化的过程如 图 2 2 所示 舡电每吨涵扫j r 2 3 r d 4f v t 图斟闲 冈囹圈田圉 图2 2 椭圆偏振随万变化的过程 图中可见 在椭圆偏振随相位变化的过程中 有线偏振和圆偏振两种特殊状态 这是在光学中经常讨论的两种偏振情况 2 线偏振和圆偏振 由式 2 3 可见 当 万 名 4 m x m o 1 2 时 椭圆方程变为直线方程 此时 乏 1 惫 2 7 电矢量的矢端轨迹是直线 称为线偏振 线偏振光在传播过程中 光矢量的大小 发生变化 但振动方向不随时间变化 即振动面在空间保持一个确定方位 故又称之 为平面偏振光 当e o e o y e o 艿 嚷 4 m z c m o 3 5 时 椭圆方程变为圆方程 霹 e 2 霹 2 8 电矢量的矢端轨迹是圆 称为圆偏振 圆偏振光在传播过程中 光矢量的大小不 8 网幽瞄 叼团一 变 但振动方向规则变化 圆偏振光也有左右旋向之分 其规则与椭圆偏振光相同 2 1 3 部分偏振光及偏振度 除自然光和完全偏振光外 还有一种介于两者之间偏振光 这种光的振动在各个 方向上都有 但在不同方向上的振动强度不等 且在某一个方向上的振动占优势 叫 做部分偏振光 依部分偏振光中所含偏振光的性质 可以把部分偏振光分为部分线偏 振光 部分圆偏振光及部分椭圆偏振光 通常用偏振度尸来衡量部分偏振光偏振程度的大小 其定义为 p 孕 去 婷 2 9 i oi i n i 一 i 妇 上式中 乙表示光沿某一方向所具有的能量极大值 k 表示在其垂直方向上具 有的能量极小值 两者相差越大 则偏振程度越高 当乙 k 时 p 0 为非偏振 光 即自然光 当 幽 0 时 p 1 为线偏振光 其它情况下 0 p l 乜3 显然 该定义在表示圆偏振光或椭圆偏振光的偏振度时有局限性 不能将它们与 部分偏振光和自然光有效地区分开来 2 2 偏振光的描述 对光波偏振态的描述与对光波偏振态变化的研究一样 都是偏振光应用技术的重 要方面 光波任意偏振态的常用描述方法四种 三角函数表示法 j o n e s 矩阵表示法 s t o c k e s 矢量表示法以及邦加球表示法 它们各具特点 分别从数学和几何的角度对光 的偏振态做了描述 在实际应用中选择合适的描述方法可以使计算步骤得到简化 2 2 1 三角函数表示法 两束振动方向垂直的偏振光进行叠加后 通常将形成椭圆偏振光 并且表征椭圆 形状的两个参数方位角目和椭率角s 将随着这两束偏振光的振幅比e e 和相位差万 的变化而变化 由此可见 e e 和相位差万可以表示任意一束光的偏振态 如图 2 3 所示 取椭圆的长 短轴为新坐标系x o y 的坐标轴 则新旧坐标之间 的转换矩阵为 a 卜乡豇们l 2 1 2o ji 1 0 i s i n0c o s 0 9 一 嬲曼 百隽 歹 占 叁 o r 5 l 图2 3 椭圆偏振各参数问的关系 则电场矢量在这两个坐标之间的关系为 阱彳吲 眨 若设椭圆的长 短轴分别为2 口和2b 则 x o y7 坐标系中椭圆方程为 多2 a c o s r 6 0 之 2 12 b 耳 s i n r 8 0 7 式中正 负号分别对应右旋椭圆偏振光和左旋椭圆偏振光 显然 由 6 的比值和 角度秒两个参量就可以确定椭圆的外形和空间取向 因此是实际工作中要测量的两个 量 为求它们和e y e 及其相位万之间的关系 利用式 2 1 2 与式 2 1 1 的等价性可 得如下关系 a c o s 万0 e o c o s s lc o s 0 e o c o s 8 2s i n 0 2 1 3 a s i n 8 0 e o s i n s lc o s 0 e o ys i n 8 2s i n o 2 1 4 b c o s s o e o s i n s ls i n 0 一e o ys i n 8 2c o s t 9 2 1 5 b s i n 磊 一e o c o s s ls i n 0 e o c o s 皖c o s 0 2 1 6 将式 2 1 3 与式 2 1 4 平方相加 将式 2 1 5 和式 2 1 6 平方相加 得 口2 6 2 砭 e 2 2 1 7 将式 2 1 3 和式 2 1 5 相乘 将式 2 1 4 和式 2 1 6 相乘 再将乘积相加可得 a b e o x 巴 s i n 8 2 1 8 将式 2 1 3 和式 2 1 5 相除 将式 2 1 4 和式 2 1 6 相除 整理后可求出口的表 达式 l o 酲一 2 s i n 2 0 2 e e o y c o s dc o s 2 0 2 1 9 令乏 伽口 o 口卿 2 2 于是 2 1 9 简化为 t a n 2 8 t a n 2 a c o s f i 2 2 1 而由式 2 1 7 和式 2 1 8 可得 等 s i i l 2 咖i 1 1 万 2 2 2 令 皇 t a ns 一互 互 a44 于是式 2 2 2 可写成 s i n 2 s s i n 2 a s i n d 2 2 3 可见 只要测出占和秒的实际值 则两偏振光的振幅e e 及相位差万就可由下 面的等式全部求出 t a n 2 0 r c o s 8 t a n 2 8 2 2 4 s i n 2 0 r s i n 8 s i n 2 6 2 2 5 生 t a l l 口 o 口 z r 2 2 26 e o x 三 碟 口2 6 2 2 2 7 在分析和计算偏振光在单一光学器件中的传输问题时 通常要用这种方法 2 2 2j o n e s 矩阵表示法 美国科学家j o n e s 在1 9 4 1 年提出一种用矩阵描述光的偏振态及光通过线偏振器件 后偏振态变换的计算方法 这就是j o n e s 矢量和j o n e s 矩阵法 用矩阵描来描述光的 偏振态及其变换 不仅形式简洁 而且便于用计算机进行计算 可以方便地得出由偏 振器件组成的复杂系统的出射光的最后状态 3 设光波沿z 轴方向传播 光矢量在x y 坐标轴上的投影分别为 e f x2 鼍羔 p 一 m i w t p i 2 2 8 ie y 巴y p l 七 乞y p 一删p 哆 u 厶刨 略去公因子p m 用复振幅表示为 f 最 瓦p 畋 1 e p 协 2 2 9 由它光矢量的两个分量构成的一列矩阵来表示 这个列矩阵称为j o n e s 矢量 记作 e 烈剀 3 这束偏振光的强度 j 豆j 2 i 豆1 2 巨豆 茸耳 砭 砖 因为通常讨论的是光的相对强度 所以可以将 2 3 0 式除以0 两 得丑 j o n e s 矢量的归一化形式 即 e 赢瞄 眨3 通常还可将 2 3 0 式中所以公因子提出来得到更简洁的表示式 一杪侈e o xi 忡 卜 汜3 2 f 式中耻薏叩2 哆呗 对于光矢量沿x 轴成秒角 振幅为e 的线偏振光巨 e c s 秒p e e s i n 秒p 地 在椭圆偏振光变为线偏振光时 两垂直的光振动的相位差为零 即哆 纯 则 i 豆1 2 l 茸1 2 磊2 归一化的琼斯矢量 易 文盏笔牛 怯 3 3 略去公因子e i 得 易 c o s 8 汜3 4 当秒 时 为光矢量沿x 轴的线偏振光 归一化琼斯矩阵e 口 1 2 当0 4 5 0 时 为光天量与x 轴成 4 5 的线偏振光 归一化琼鼽矩阵 e 击 当口 9 时 为光矢量沿y 轴的线偏振光 其归一化琼斯矩阵e r 对于圆偏振光 妒 哆一纹 o 当缈 互2 吃 e o 为右旋圆偏振光 阱 阱 2 配经归一化处理 略去公因刊嗝琼斯矢量为 去 阻当缈 等 为左旋圆偏振光 琼斯矢量为玩 击防 2 2 3s t o c k e s 矢量表示法 1 s t o c k e s 参数 1 8 5 2 年 s t o c k e s 提出用四个实数来描述一束光波的强度和偏振态 由s o s s 2 和墨来标识 被称为s t o c k e s 参数 它们都是光强的时间平均值h 3 定义如下 2 似 f e 2 掣 f s i e 2 0 x f 一 e 2 f s 2 2 e o t e o r t e o s 瓯 f 一瓯 f 2 3 5 s 3 2 e o t e 缈 t s i n 6 y t 6 t 式中 e 2 0 x f 是e 2 甜 的时间平均值 即 成 专弘 出 汜3 6 由式 2 3 5 可知 s o 表示光波的总强度 s 表示光波x 分量与y 分量的强度差 s 表示光波的州4 和一州4 方向的线偏振分量的强度差 s 表示光波的右旋和左旋圆偏 振分量的强度差 因而 s o 总为正 s s 和s 的取值可正可负 如果用i 表示光波的总强度 p 一 批 分别表示x y 州4 和万 4 方向的线偏振光以及右旋 r 和左旋 圆偏振光的光强 则s t o c k e s 参数 可改写成 s q i o i i iy h i x 4 i f 4 l i r 七1 1 1 s 1 i x i y 记作 s 2 2 i i 一 2 3 7 s 3 ir i 2 s t o c k e s 矢量 将光波各s t o c k e s 参数合并为一个4 1 阶列矢量 称为该光波的s t o c k e s 矢量 s s o s l s 2 s 3 或s ks 是s r 2 3 8 与琼斯矢量不同的是 斯托克斯矢量不但可以描述完全偏振光 还可以用来描述 部分偏振光和非偏振光 表2 1 给出特殊偏振光的s t o c k e s 矢量 表2 1 特殊偏振光的s t o c k e s 矢量 偏振光 s t o c k e s 矢量 自然光 d 0 0 o r 水平线偏振光 1 1 0 o i r 4 5 线偏振光 1 01 o y 9 0 线偏振光 1 1 0 o r 一4 5 线偏振光 1 0 1 o r 右旋圆偏振光 1 0 0 1 r 左旋圆偏振光 1 00 1 j r 2 2 4 邦加球表示法 1 8 9 2 年 p o i n c a r e 提出了在s t o c k e s 空间用邦加球来表示光波的偏振态 它是将 1 4 笛卡儿坐标系的三个轴分别设定为s t o c k e s 参数s 是和s 引入了半径为 1 的球 如图 2 4 所示 对于任意椭圆偏振光 可由方位角护和椭率角s 来确定其偏振态 而 这两个参量可用球面上的经度和纬度来表示 这样 球面上的任意点都对应着一种单 位强度全偏振光的形式 球面上的全部点的组合就代表了所有各种可能的偏振态n 1 图2 4 邦加球 1 完全偏振光在邦加球上的表示 完全偏振光分为线偏振 圆偏振和椭圆偏振 在这种情况下 光波的x 和y 方向线 偏振分量随时间变化量可表示成 吃 呵出 彳 f p p c o s o c o s e j s i n o s i n s e f 盯 彳 f p s i n o c o s 6 j c o s o s i n s 2 3 9 将式 2 3 9 代入式 2 3 7 得到全偏振光的s t o c k e s 矢量为 s o c o s 2 0 c o s 2 s s os i n 2 0 c o s 2 6s os i n 2 s 1 2 4 0 可见 在全偏振光中有如下关系 爵 砰 跹 g 2 4 1 2 部分偏振光在邦加球上的表示 对于部分偏振光 可以把该光波分解完全偏振分量和非偏振分量 对于非偏振分 量 其s t o c k e s 矢量为 s o0 00 1 于是 s t o c k e s 矢量满足下列等式 s s s 式中 s s是s 1 s e s o s 1 2 1 2 2 r 3 2 2 000 3 1 2 4 2 即 而 砰 鹾 g v 2s 是s t s o s s 2 s 3 s o b s s 拌 0 0 0 b s j s 鞘 s s 墨 咚 s s 辨 s 是 s 3 b s j s 拌 偏振度此时定义为 p 丝堡 篁 o p 1 故部分偏振光的s t o c k e s 矢量应为 s o s l s 2 墨 s o 1 p c o s 2 0 c o s 2 s p c o s 2 0 s i n 2 占 p s i n 2 0 1 c o s 2 0 c o s 2 s c o s 2 0 s i n 2 c s i n 2 0 2 4 3 2 4 4 2 4 5 2 4 6 意义 对于任意一点a 如果a 在球心处 墨 墨 0 此时尸 0 表示完全非 偏振光 即自然光 如果a 在球面上 岛 并 g 霹 此时尸 l 表示完全偏振光 如果a 在球内 0 尸 1 表示部分偏振光 可见利用s t o c k e s 矢量定义的偏振度 与目前光学教材中普遍使用的偏振度定义 具有明显的优越性 此时 任意单色光波的s t o c k e s 矢量用全偏振分量的总光强s 偏振度p 方 位角9 和椭圆率角占来表示时 可以写成如下形式 s s o 1p c o s 2 0 c o s 2 e 尸c o s 2 0 s i n 2 s 尸s i n 2 0 1 由上述可知 对光强已知的光波 它的偏振态仅由尸 秒和s 决定 因此 只要测 出某光波的s t o c k e s 参数 就可以完全确定该光波的偏振状态 3 偏振态和偏振度的表征 对于任意a 点 为表征其偏振态 将式 2 4 2 中相应分量的s t o c k e s 参数与式 2 4 0 相比较 得到光的全偏振分量的方位角乡和椭率角s 的表达式如下 1 6 一 i 占 署 2 4 7 用邦加球面表示完全偏振光时 有以下几种情况 1 若s o a 点在赤道上 表示方位角不同的线偏振光 当0 0 电矢量是 水平的 表示水平线偏振光 当秒 鲁时 表示垂直线偏振光 2 2 若o g 7 椭圆率大于零 a 点上半球 表示右旋偏振光 若 7 s 玎 一般的向列相液晶a n z 一 z 在0 1 0 3 之间 所以双折射效应比较明显 液晶的分子排列具有取向有序性 同时又具有液体的任意可变换特性 这使液晶 分子容易受外界应力的影响而重新排列 当液晶处于电场作用下时 分子的带电部分 受到电场的作用 带动分子转动 使分子的取向平行或垂直于电场方向 这就是液晶 的电致双折射效应 将向列相液晶盒两端加上偏振方向相互垂直的偏振片 这样 在 不加电压的情况下 一束光从左侧入射时 右侧没有光出射 由于电致双折射效应 在液晶盒两端加上适当的电压后 出射为椭圆偏振光 垂直入射光通过液晶盒时产生 的非常光 p 光 和寻常光 0 光 之间的相位差可以由以下公式计算 r d 万 孕 与k p p 飞 以 日乞j 3 4 p 竺 i h s i n2 目 o c o s 2 p f3 i 其中 口为指向矢与 轴夹角 与液晶两端所加电压有关 所以液晶的相位延迟可 以通过加在液晶两端的电压决定 3 4 2s t o c k e s 参数的计算 基于l c v r 调制法测量光波偏振态的原理图如 3j 所示 图351 c 调制测量电路图 待测光垂直入射l c v r l 和l c v r 2 后 经偏振分光棱镜分解成折射光束和透射光束 并分别由相应的探测器对出射光的光强值进行探测 图中 l c v r l 和l c v r 2 是两片性能 相同的液晶相位可变延迟器 偏振分光棱镜的作用是将待测光波的垂直线偏振分量和 水平线偏振分量分离 便于s t o c k e s 参数的计算 下面对s z o c k c s 参数进行逐一汁算 s 元素的定义是输入光波的水平与垂直线偏振分量的强度差值 测量s 时 l c v r i 保持在0 延迟状态 l c v r 2 的光轴与偏振分光棱镜成4 f 并在0 延迟到刖2 延迟转换 出射光通过偏振分光棱镜将光波的水平线偏振分量与垂直线偏振分量分离 由探删器 分别探测其光强值 s 计算公式如下 科2 描12 一糕02 阻 o 五 s 元素的定义是 4 5 方向上线偏振分量的强度差值 测量s 时 l j c v r l 保持州4 延迟状态 l c v r 2 的光轴与偏振分光棱镜成4 j 并在纠4 延迟和一州4 延迟司转换 s 计 算公式如下 硅2 f 畿糟 裂一豢糟崩e l 七4 一五 4 五4 一 4 j 奄 j 一 s 元素的定义是右旋和左旋圆偏振的强度差值 测量s 时 l c v r l 保持在0 延迟 状态 l c v r 2 的光轴与偏振分光棱镜成4 5 并在纠4 延迟到一 4 延迟间转换 马计算公 式如下 s i r z 4 i r 3 4 r 一面i r z 万 4 而i r z 4 3 1 8 所测参数已作归一化处理 r 到c s o 1 为了保证l c v r 对待测光偏振态的精确调制 系统在进行测量之前 必须进行l c v r 校准 以确定当相位延迟为o 4 一纠4 和 2 时所对应的驱动电压值 经校准后的 驱动电压见表 3 1 表 3 1 l c v r 驱动电压 l c v r 0 延迟 4 延迟一州4 延迟州2 延迟 l c v r l 驱动电压 v 6 2 53 0 8 l c v r 2 驱动电压 v 5 7 82 9 6 1 6 8 2 2 0 第四章基于虚拟仪器的偏振测量系统的设计 4 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器 v i r t u a li n s t r u m e n t 的概念是由美国国家仪器公司于1 9 8 6 年最先提 出来的 所谓虚拟仪器 是将仪器装入计算机 就是在通用计算机平台上 用户根据 自己的需求来定义和设计仪器的测量功能 其实质是将可以完成传统仪器功能的硬件 和最新的计算机软件技术充分的结合起来 用以实现并扩展传统仪器的功能 来完成 数据采集 数据分析与处理计数据显示 n i 公司提出的著名口号 t h es o t f w a r ei st h e i n s t r u m e n t 形象地概述了软件技术是虚拟仪器的核心 虚拟仪器的特点可以概括为 用户自定义仪器的功能和指标 具有标准的 功能强大的接口总线 功能强大的信号 处理能力 界面友好 人机交互 成本低 开发快 易于扩展 虚拟仪器系统概念的提出 是对传统仪器概念的重大突破 是不断革新的计算机 技术与仪器技术相结合的产物 虚拟仪器系统是利用目前计算机系统的强大功能 结 合专用的硬件 大大突破了传统仪器在数据传送 处理 显示 存储等方面的限制 使用户可以方便地对其进行维护 扩展和升级等 广泛地应用在通讯 自动化 航空 电子和工业生产等各个领域u 引 4 2 系统总体设计结构 基于虚拟仪器技术的偏振检测系统由三部分组成 光学系统 硬件部分和软件部 分 将这三部分综合起来 系统的总体结构如图 4 1 广 一一一 一 一一一一 一一一一一一一一一一一一一一 1 一一一一一 一一一一一一一一一1 l 一一一一 一k 一一一一 一 一一一 一一一 一 i i 一一一一 一 一一一 一 一 图4 1 系统的总体结构 系统光学部分包括光路的搭建和l c v r 调制 硬件部分主要依靠数据采集模块和主 控芯片对光信号进行数据采集 并将采集后的数据通过计算机总线传递至上位机虚拟 仪器 上位机经微机串行接口向下位机传达数据传送指令 同时将接收到的数据在 l a b v i e w 平台上进行数据的处理 显示和存储 这三部分互相作用 构成了基于虚拟仪 器的偏振态检测系统 2 6 系统的光学测量原理在第三章已经介绍 这部分主要完成系统的硬件设计 硬件 电路框图如下 由图 4 2 可见 硬件部分以主控芯片为核心 同时控制双路数据采 集和双路l c v r 驱动 l l 撤i 洲 蓼翳枕 h 兰h 竺垒卜一 l c v r i 一一 l 4 3 主控芯片介绍 图4 2 硬件电路框图 本设计主控芯片的作用有 协助信号调理 控制数据采集 驱动l c v r 及与上位机 通信 为此 选择a t m e l 公司生产的a t m e g a l 2 8 作为系统的主控芯片 a t m e g a l 2 8 是基 于a v rr i s c 结构的8 位c m o s 单片机 因而具有性能高 速度快 功耗低的特点 此外 a t m e g a l 2 8 内部带有1 3 3 条精简指令 3 2 个通用寄存器 5 3 个通用i o 端 口线 1 2 8 k 字节的f l a s h 存储器 4 k 字节的e e p r o m 4 k 字节的内部s r a m 2 个具有 独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器 计数器 2 个具有预分频器 比较功能 和捕捉功能的1 6 位定时器 计数器 2 路8 位p w m 2 个可编程的串行u s a r t 8 路 1 0 位a d c 看门狗定时器 s p i 接口 j t a g 测试接口 6 种睡眠模式 a t m e g a l 2 8 自身 的结构和其内部配置 使a t m e g a l 2 8 广泛应用于工业实时控制 通信设备 仪器仪表 等各个领域 尤其为嵌入式控制系统提供了成本低灵活性高的设计方案 a t m e g a l 2 8 采用c 语言编程方式 i c ca v r 软件的编译环境 s l i s p 软件将程序 下载到f l a s h 存储器 从而保证了测试程序的编写简单和调试方便 为提高系统的测量精度 使用外部外接有源晶振 a t m e g a l 2 8 的时钟引脚与晶振的 连线如图 4 3 叮 h j 霉r 二露c g r d程 l 0 3 3 i 1 gird苌 13 j 雀 乒l 嚣 l 蚓 i 图4 3 外部时钟接线图 2 7 鉴于其通用性 经a d 采集后的数据采用异步串行通信的方式由主控芯片传至 上位机处理 电平转换芯片采用m a x i m 公司的m a x 2 3 2 该芯片兼容r s 2 3 2 标准 内部 包含两个r s 2 3 2 驱动器 两个r s 一2 3 2 接收器和一个电源电压发生器 每一个发送器 将t t l c m o s 电平转换成t i a e i a 一2 3 2 电平 每一个接收器将t i a e i a 一2 3 2 一f 电平转换 成5 vt t l c m o s 电平 5 v 电源供电 数据通信接口电路如图 4 4 所示 4 4 数据采集模块 二 t 图4 4 数据通信接口电路 数据采集是一个宽泛的概念 广义的讲就是指将电压 电流等电信号或是温度 湿度 加速度 压力等非电量信号通过一些特殊的传感器或变换器转化成电信号后 经过a d 转换 读取到计算集中的过程 在某种意义上 数据采集就是测量 测量范 围不但包括交直流电压 电流 电阻 频率 周期 数字信号脉宽等 还包括光 温 度 压力 振动 位移 加速度 流量等其他物理量晗2 本设计数据采集模块的结构 如图4 5 图4 5 数据采集模块结构图 4 4 1 传感器选取 传感器是将非电量转换为与之有确定关系电量输出的器件或装置 是非电系统与 电系统之间的接口 为将光学系统中l c v r 输出的光强信号转换为可测的电信号 需要 使用具有光电转换功能的光伏探测器 光伏探测器简称p v 探测器 是利用半导体p n 结的光伏效应制作而成的 当光照射p n 结时光生载流子 电子一空穴 被内建电场分 离而形成电动势 如将p n 结短路 则会出现光电流 光生电势及光电流直接反应了 入射光功率的大小 根据内建电场形成的结势垒的不同可以做成不同类型和结构的光 伏捧测器 通常也成为光电二极管 光电三极管等 在可见光及近红外光谱区 光电二极管通常在反相偏压条件下 i 作 这样可以减 小载流子渡越时间及二极管极间电容 因而使线性特性和频率特性较光电池得到彻底 改善 光电流的输出仅受光照强弱的影响而与负载电阻的大小无关 这类器件目前采 用硅或锗制成 但硅器件的暗电流小 而且 艺成熟 在实际巾应用广泛 本系统