静态偏振风成像干涉仪光传输特性和光通量改善

静态偏振风成像干涉仪利用偏振光束来获得干涉图, 光束在偏振元件中的传输特性成为分析研究的关键. Jones矩阵用于分析系统的光学传输特性和偏振态变化过程, 形式简洁,计算方便,容易得出光学元件对系统性能的影响.本文用Jones矩阵对静态偏振风成像干涉仪系统进行了描述, 推导出了适用于普遍情况的系统矩阵表达式,计算出核心偏振元件的偏振化方向和波片方位角对应于系统光通量和干涉调制度的关系,确定了系统中各偏振元件的最佳偏振化方向和波片的最佳方位角; 并通过视场展宽技术和提高四面角锥棱镜的透光率对光通量加以改善,利用光线追迹软件仿真, 对视场展宽前后的干涉强度作了对比,达到预期的效果.为静态偏振干涉成像光谱仪的设计、 研制和工程化提供重要理论和实践指导.     

四分束风成像偏振干涉仪信噪比的研究

新型静态偏振风成像干涉仪采用四面角锥棱镜与偏振阵列的组合结构, 在CCD的四个分区上一次得到四个不同相位的干涉图, 可以实现对目标的实时探测, 克服了动镜扫描探测模式不能对快速变化目标进行精确探测的缺陷. 由于光束被四等分, 强度大幅度下降, 微弱的气辉信号能否被探测到成为研究的关键. 本文从目标气辉光谱的特性出发, 分析了静态偏振风成像干涉仪系统的光学传输特性和响应特性, CCD的噪声水平及系统信噪比, 得出弱信号夜气辉在常规的探测模式下探测不到的结论. 采用延长光积分时间, 像素合并技术和选用探测灵敏度高的电子倍增CCD等措施, 均可以有效改善信噪比, 并计算出几种措施综合运用后系统的信噪比和响应度. 考虑到成本和目标的快速变化, 仅采用像素合并技术, 模拟了信噪比和数字化输出随辐射强度的变化曲线, 结果表明可实现对夜气辉等微弱信号的探测.     

基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪系统的理论研究

基于偏振阵列的偏振迈克耳孙风场探测干涉仪是一种新型的探测大气温度和风场速度的干涉仪.基于偏振干涉的原理,四个偏振方向分别相差45°的偏振片组成的偏振阵列紧贴于探测器前,由四面角锥棱镜出射的四束线偏振光分别经四个不同偏振方向的偏振片后,四个不同强度干涉图同时成像于探测器上,经过数据提取获得四个干涉强度值,进一步反演出大气温度和风场速度值.对以上干涉成像过程进行了模拟仿真,得到干涉图,经风速反演得到了与实际值一致的结果.具有结构简单稳定,测试精度高,利于快速变化的目标测试的优点.     

新型静态偏振风成像干涉仪理论探测误差的分析与计算

简述了新型静态偏振风成像干涉仪的原理,推导出一般情况下系统的Jones矩阵.在此基础上计算了系统中各偏振器件重要参数在非理想情况下对风速和温度探测结果的影响.利用计算机模拟对探测误差进行了分析,并按照系统精度要求从理论上提出了各重要参数的误差容限.该研究为新型静态偏振风成像干涉仪的研制、定标及后期数据处理提供了理论依据. 关键词： 静态偏振风成像干涉仪 Jones矩阵 方位角误差 相位延迟量误差     

偏振干涉成像光谱仪中格兰-泰勒棱镜全视场角透过率的分析与计算

论述了自行设计研制的偏振干涉成像光谱仪的工作原理,分析了其核心部件格兰-泰勒棱镜的分光机理;运用光线追迹方法,推导出了格兰-泰勒棱镜全视场角透过率计算公式;通过计算机模拟分析了入射面、入射角和空气隙厚度对该棱镜透过率的影响,并利用方解石Sellmeier色散方程,给出了该棱镜在仪器系统要求的光谱范围内透过率与波长的关系曲线;实验测试结果与理论计算公式相符,验证了理论公式的正确性.     

新型偏振干涉成像光谱仪中格兰-泰勒棱镜像质分析与评价

阐述了自行研制的新型偏振干涉成像光谱仪中重要偏光器件格兰-泰勒棱镜的分光机理,应用光线追迹法分析计算了光在格兰-泰勒棱镜中的传播规律与光线轨迹;推导出了任意角度入射时光线在棱镜中的传播方向及出射点坐标;给出了格兰-泰勒棱镜的像点位移和色差理论计算公式.该研究对晶体器件像质的分析计算及评价具有普遍的指导意义,为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及偏振干涉成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据. 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 格兰-泰勒棱镜 像点位移 色差     

角锥棱镜的偏振效应

分析了实心角锥棱镜对任意方向入射光的偏振态的影响,同时考虑振幅的变化,给出角锥棱镜的琼斯矩阵表达式,文中计算了当光线平行于角锥棱镜对角线方向入射时角锥棱镜的琼斯矩阵的具体数据,同时对不平行的一些典型的情况也进行了计算,所有结果均在实验中得到证实.     

基于洛伦兹线型极光的上层大气风场探测模式研究

从洛伦兹线型极光的干涉强度、调制度与光程差的理论公式出发,用λ/4的步进光程差即“四强度法”获得一个波长范围内的4个干涉强度值,以实现基于洛伦兹线型极光的上层大气的风速、温度、压强等物理量的探测。提出用改形萨尼亚克成像干涉仪替代迈克耳孙干涉仪实现上层大气风场,给出了基准光程差的公式,并用四面角锥棱镜镀膜技术获得4个干涉强度值来同时探测上层大气风场的模式。最后在实验室将Kr灯557.0nm调整光束到一定宽度,对称地从顶角为60°的两面镀膜角锥棱镜的顶点入射,用768pixel×576pixel的CCD照相机接收到两个光斑的成像,这两个光斑的再复制就得到镀膜四面角锥棱镜在一个周期内的4个干涉强度光斑,从而获得上层大气风场。     

用初等数学证明棱镜的最小偏向角公式

最小偏向角是棱镜的重要特性之一.在普通物理实验书籍中,都是用微分法证明最小偏向角公式的,本文试图用初等数学证明该公式.光线经棱镜折射沿BCDE 通过.偏向角是指入射光线BC 与出射光线DE 之间的夹角δ,如图所示,i_1和i_2分别是入射光线和出射光     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比     

高层大气风场探测改型大光程差Sagnac干涉仪全视场角光程差与横向剪切量的精确计算

提出了一种用于高层大气风场探测的改型大光程差Sagnac干涉仪,论述了其基本原理和分光机理;分析了空间光线在改型大光程差Sagnac干涉仪中的传播路径;利用空间几何方法,通过分析空间直线与其投影之间的关系,给出了入射光线绕入射界面法线旋转360°范围内,从任意方向以任意角度入射时,改型大光程差Sagnac干涉仪的光程差及横向剪切量的精确表达式,较目前文献所报道的只给出入射面与纸平面平行时光程差与横向剪切量的计算具有更加普遍的指导意义.为改型大光程差Sagnac干涉仪的设计、研制提供了重要的理论依据和实践指 关键词： 高层大气风场探测 改型大光程差Sagnac干涉仪 横向剪切量     

Exact calculation of the minimal thickness of the large optical path difference wind imaging interferometer

This paper gives the relation between spatial ray and its projection on paper plane based on the vector form of reflective law.Using the method of prism expansion,it obtains the exact expression of the exit height.The exit height can ensure that the incident rays,at arbitrary direction and arbitrary angle,after several transmission and reflection in the two right-angle reflectors,finally pass through the exit surface.Furthermore,it analyses the effects of different parameters on the exit height through computer simulation,and some important conclusions are obtained.The physical meaning of the sign of exit height is described,and the exact expression of the minimal thickness of the large optical path difference wind imaging interferometer is gained.This work is of great scientific significance to the static,realtime simultaneous detection of atmospheric wind field,and it will provide a theoretical and practical guidance for the miniaturization design and engineering realization of wind imaging interferometer.     

Polarization transforming properties of Dove prisms

We analyze the polarization changes introduced by a rotated Dove prism on the linearly polarized light, using the Jones calculus and the exact ray trace analysis. The state of polarization changes from the linear to a mildly elliptical one when a plane wave front passes through a rotated Dove prism: its semi-major axis is nearly parallel to the input plane of polarization, for any angle of prism rotation. The interferogram contrast remains high for all shearing angles in spite of polarization changes when the Dove prism is incorporated into a rotational shearing interferometer. These results are confirmed experimentally.     

The influences of the wavelength bandwidth on the measured wind velocity and temperature in the static polarization wind imaging interferometer

The static polarization wind imaging interferometer (SPWII) is a device used to measure wind velocity and temperature of the upper atmosphere. In this paper, the principle of SPWII is expounded. Using the four-side pyramid prism and polarizer array, four intensity interferograms of different phase differences form on the four subareas of the CCD which is located at the focal plane of the imaging lens. The wind velocity and temperature can be derived from the interferograms. Using the approximation and the antitheses, we analyze the influences of the wavelength bandwidth on the measured wind velocity and atmospheric temperature. According to the design requirements of the SPWII, the errors of the wind velocity and the atmospheric temperature are less than 5 m/s and 5 K when the incident wavelength bandwidth is in the range of [?3.08, 3.08] nm. The range is estimated and verified by simulations. These results are helpful for the realization and data processing of the SPWII.     

Sagnac棱镜角公差与干涉光谱仪光谱分辨率的关系分析

根据干涉成像光谱仪光谱分辨率对角向差的要求，通过对实体Sagnac干涉仪结构和光路进行分析，从三个相互垂直的方向出发，研究了光谱分辨率和棱镜角公差之间存在的关系；并推导了满足光谱仪光谱分辨率要求的实体Sagnac干涉棱镜的角公差公式；用实例说明了关系式的应用方法，如果不考虑棱镜变形引起的色散及棱镜的面型误差和付氏镜的残余像差的影响,而只考虑棱镜的角误差对光谱分辨率的影响,则通常情况下干涉棱镜的角公差要求较严，约20″以内.     

Relationship between incident angle and dispersion in static large field of view polarization interference imaging spectrometer

The static large field of the view polarization interference imaging spectrometer is based on the modified Savart polariscope. There appears a dispersion between the ordinary ray and extraordinary ray when light passes through the modified Savart polariscope. The dispersion greatly influences the intensities and the results of the interferogram and target image in the static large field of the view polarization interference imaging spectrometer. At the same time, the incident angle determines the dispersion. When the light goes through the modified Savart polariscope, the dispersion occurs in the left plate, the half-wave plate and the right plate of the modified Savart polariscope. Using the extension of Snell's law, the dispersion in the crystal is theoretically calculated and numerically simulated separately. The relationship curve between incident angle and the dispersion is obtained by simulation.