共孔径偏振耦合分光的旋转四分之一波片相位补偿技术

 在地平式折轴望远镜中开展自适应光学激光导星实验，研究了共孔径发射接收信标激光束偏振耦合分光效率随望远镜方位角和天顶角变化的补偿技术。提出了一种由四分之一波片和法拉第旋光器构成的相位补偿器，通过旋转四分之一波片以实时补偿由于望远镜旋转导致的光路相位延迟量的变化。数值计算表明，望远镜处于任意方位角和天顶角位置时，通过1°步长旋转四分之一波片，可使补偿后的偏振分光效率理论上达到99.90％以上。实验从原理上定性地验证了该方法的有效性。只要测量出镜面的相位延迟，便可计算得到望远镜处于不同方位角和天顶角情况下有效补偿所需的四分之一波片旋转角度，据此可建立实用的旋转波片偏振补偿装置。     

基于非线性偏振旋转的全正色散锁模光纤激光器偏振特性的研究

基于耦合的Ginzburg-Landau方程和各器件的琼斯矩阵,建立了全正色散锁模光纤激光器的数值模型,计算了腔内各点脉冲不同部分的偏振态。计算结果表明,当线性双折射较强时,光纤中脉冲的偏振态近似以拍长为周期变化,一个拍长内的演化过程为右旋椭圆偏振光-线偏振光-左旋椭圆偏振光-线偏振光-右旋椭圆偏振光。与一般的饱和吸收体不同,非线性偏振旋转等效饱和吸收体的调制深度随波片角度变化。计算了波片方位角改变时,调制深度的变化情况。相比于偏振分束器之前的1/2波片及1/4波片,偏振分束器之后的波片对调制深度的影响更大。     

投影光学系统中的偏振像差分析

当光束斜入射时,光学薄膜存在一定的偏振效应。在飞利浦棱镜系统中,当一定大小孔径角的照明光束斜入射到分色合色薄膜后,S偏振分量和P偏振分量存在一定的相位差,使得线偏振光变成椭圆偏振光。利用琼斯矩阵偏振光线追迹的方法,分析了投影光学系统中由于两偏振分量相位差引起的偏振像差,以及它与暗态泄漏光强和系统衬比度的关系。得出了系统出瞳面上的光波偏振特性,以及在不同大小孔径角的照明光束入射下偏振像差的变化。分析了膜厚监控误差对光学系统偏振像差的影响,发现膜厚监控误差对偏振像差和系统衬比度有很大的影响。所使用的分析方法可以应用于其他大口径光学系统。     

双折射器件对机载激光雷达偏振探测影响的研究

根据膜层理论给出了机载激光雷达回波信号垂直入射偏振棱镜时偏振平行分量透过率的数学解析表达式,定量分析了偏振棱镜对机载激光雷达回波信号平行分量透过率的影响,理论计算表明：棱镜晶体厚度、空气膜层厚度及棱镜结构角共同影响回波信号通过偏振棱镜的透过率;当回波信号波长为532 nm,利用1/2石英波片测得的偏振平行通道和偏振垂直通道的增益比k为1.2时,机载激光雷达偏振通道增益比k的真实值在1.003～1.463之间,若不考虑1/2波片对k值的影响,会给退偏振比反演带来较大的系统误差.     

相干激光通信光学系统偏振像差研究

相干激光通信系统中,光学系统的偏振像差会改变信号光的偏振态,降低信号光与本振光的混频效率。为了定量分析和研究光学系统的偏振特性,提出了三维偏振光线追迹算法。针对大口径相干激光通信检测平台系统,利用该算法对平台的通信系统进行偏振光线追迹,并根据追迹计算所得的偏振变换矩阵,分析了偏振像差对圆偏振信号光偏振态的影响。通过搭建实验平台,验证了平台通信系统的偏振特性。     

近红外偏振干涉光谱仪的光学系统设计

提出一种基于偏振干涉的单光路近红外光谱仪光学系统.针对光纤耦合卤钨灯光源,设计离轴抛物面镜准直和会聚光学系统.氦氖激光作为采集控制光源,用冷光镜与近红外光束实现分合.采用正交放置的格兰-汤普逊棱镜为起偏和检偏器,设置补偿晶体和扫描光楔完成偏振干涉的相位补偿.近红外光偏振干涉光谱仪光学系统的光谱范围为800~1 700nm,理论光谱分辨率优于8cm-1,通光口径Φ10.4mm.质量评价表明,全视场点列图均方根半径值约为1.7μm,垂轴色差小于0.2μm,全视场范围内几何包围圆Φ14μm之内能量达到100%.     

基于腔内偏振分束器偏振控制的线偏振掺镱双包层光纤激光器

研究了一种单双波长可切换的线偏振掺镱双包层光纤激光器结构,腔内插入可以绕光轴方向旋转的立方体偏振分束器(PBS)进行偏振控制,实现单双波长的转换。激光谐振腔由高反射率的双色镜和较低反射率(10.2%)的保偏光纤布拉格光栅(PM-FBG)构成;由于保偏光纤光栅的偏振选择反馈作用增强了偏振烧孔效应,通过调节谐振腔内偏振分束器的旋转角度实现了激光的单双波长之间的切换。利用琼斯矩阵理论分析了偏振态与旋转角度的关系,其结果与实验结果吻合。实验中输出激光的双波长为1070.08nm和1070.39nm、功率为1W、激光信噪比为48dB、斜率效率为34%、3dB带宽为0.02nm。利用格兰汤姆孙棱镜对该激光的偏振特性进行了研究:单波长运转时为线偏振激光,偏振度达13.37dB;双波长运转时为正交偏振激光。     

分时偏振成像系统中光束偏离的补偿方法研究

分时偏振成像系统需要通过旋转检偏器获取场景的偏振信息(I, Q, U), 检偏器的前后表面间不平行(也称为楔角)将导致成像光束发生偏离且随检偏器旋转而旋转, 这将降低偏振成像系统的空间分辨率和偏振测量精度. 本文提出调整检偏器相对于入射主光轴倾斜角的方法来补偿上述光束偏离. 以格兰棱镜作为检偏器, 根据几何光学理论, 推导了分时偏振成像系统光束偏离的一阶近似补偿模型, 获得倾斜角与格兰棱镜楔角之间的函数关系, 并通过仿真模拟验证了该补偿方法的可行性和有效性. 研究结果表明, 将格兰棱镜置于汇聚光路中, 光束偏离的一阶误差可以通过调节格兰棱镜的倾斜角有效补偿; 倾斜角大小与棱镜折射率、楔角及棱镜距电荷耦合元件靶面的距离成正比, 与棱镜厚度成反比. 该结果为研制高精度分时偏振成像系统提供了切实可行的理论依据.     

偏振模色散补偿中的偏振主态与分束器主轴的对准

光纤通信系统的比特率超过10Gb/s或更高时,偏振模色散引起的脉冲信号展宽成为主要障碍.分离光纤线路中的两个偏振模式对于提高偏振模色散补偿的精度和速度有重要意义.讨论了光纤线路中两偏振主态与补偿器中偏振分束器主轴的对准问题,给出了偏振分束器任何一个主轴上光强的表示并推导出相应的电功率信号表示式,建立了电功率与光信号两个模式之间的延迟时间以及偏振主态与分束器主轴相对角度的变化关系.初步实验表明,可以通过偏振控制器或可转动的光纤连接器实现偏振主态与偏振分束器的对准.     

半外腔微片Nd∶YAG正交偏振激光器及其在精密测角中的应用

设计了一种半外腔微片Nd∶YAG正交偏振双频激光器。把2个1/4波片置于激光谐振腔内,一个静止,一个作360°旋转,旋转引起2个1/4波片快轴之间的角度变化被激光器转化成激光2个频率之差的变化,从而输出可调谐的双频激光。采用琼斯矩阵对光在腔内的本征模进行分析,给出了双频频差的理论解释。讨论了一种体积小、分辨率高和可整周测量的新型Nd∶YAG激光测角仪的潜在前景。     

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.     

Effect of chromaticity on quarter-wave retarder performance

When a polarized polychromatic beam passes through a birefringent medium, the constituent spectral components suffer different change of state of polarization. As a result when the beam passes through an analyzer, the intensity of the resultant beam changes depending on the orientation of the analyzer, state of polarization of the input beam, spectral and spatial intensity distribution of the source and the polarizing properties of the birefringent medium. In the present study the intensity variation of the resulting beam passing through a quarter-wave retarder plate is observed theoretically with the variation of the azimuthal angle of the analyzer for monochromatic and polychromatic source of light. A simple experiment is conducted to observe the intensity variation for an incandescent lamp and HeNe laser as polychromatic and monochromatic source of light passing through a birefringent polymer-based quarter-wave retarder plate. The experimentally obtained values are compared with theoretical values and a good agreement is observed.     

2600W偏振耦合高效率半导体激光光源

将两个中心波长为808 nm,输出功率为1500W的半导体激光叠阵,经过快慢轴准直后,利用半波片将其中一个叠阵的偏振方向旋转90°,使用偏振分光平板的耦合功能,将两个偏振方向相互垂直的激光耦合到一个光路.扩束后再通过焦距为100 mm的聚焦镜组聚焦,提高激光器的亮度.在工作电流为75 A时,输出功率达到了2600 W,...     

电控径向滤波器的横向超分辨与轴向焦移

提出一种光瞳滤波器来同时实现横向超分辨和轴向焦移效应的电控制.该光瞳滤波器由两偏光镜及包含有径向双折射元件的任意偏振态的电控旋光器组成.利用径向双折射元件对光偏振态的空间调制作用，结合旋光器对任意偏振态光的旋光作用，与两个偏光镜结合，实现了空间偏振态的重新分布.利用庞加莱球及琼斯理论进行了分析，结果表明，借助这种电致位相延迟来实现的偏振态调制效应，可同时实现横向超分辨与轴向焦移效应.对能够同时获得横向超分辨与轴向焦移的情况进行了分析，得到了系统各组成参量及电光调制范围.     

利用傅里叶分析法测量光相位延迟器延迟量

为了精确测量光相位器的延迟量,提出了一种新的测量方法,并利用米勒矩阵理论分析了影响测量结果的因素。测量系统主要由起偏棱镜、标准四分之一波片、检偏棱镜、锁相放大器和微处理器构成。该方法利用最小二乘算法得到了最优傅里叶系数,利用锁相放大器的窄带滤波作用提高了信噪比,利用反馈环控制系统对步进电机的步进角进行了控制。误差分析表明这一方法的绝对误差小于0.29°,对四分之一石英波片相位延迟量进行了实验测试,结果表明其重复测量误差小于0.40°。     

采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计

针对机载平台激光3D成像系统的轻小型需求,设计了采用APD阵列的共口径激光收发光学系统。在分析激光成像系统照明方式及其光学系统结构的基础上,给出了激光3D成像光学系统结构框图:激光经衍射元件实现分束照明,采用双工反射镜实现收发光路的耦合。该光学系统用于2 km以内的目标三维成像,根据激光测距方程,确定了接收光学系统的参数以获得满足信噪比的回波能量。为避免造成像素之间串扰,设计了5倍扩束比的发射光学系统。最后,采用偏振片与1/4波片相结合的方式消除杂光,降低了发射光路对接收光路的影响。设计结果表明:接收光学系统弥散斑直径小于120μm,畸变小于0.2%。该光学系统体积小、重量轻,成像质量良好,可为同类激光成像光学系统提供借鉴参考。     

高精度滚转角干涉仪

提出了一种基于横向塞曼激光器的新的滚转角测量系统。该系统在已有技术的基础上 ,将测量放大倍率又扩展了 4倍 ,从而大大提高了滚转角的测量精度。系统以横向塞曼激光器出射的正交线偏振光作为测量光 ,首先经 1 /4波片将线偏振光变成微椭圆偏振光 (即进行微椭偏化 ) ,然后测量光通过作为传感器的 1 / 2波片 ,由直角反射镜将光路折回 ,使测量光再次通过作为传感器的 1 / 2波片。由于直角反射镜提供了合理的坐标变换 ,所以使得测量光在两次通过1 / 2波片时 ,偏振方向的改变被叠加了 ,相当于被测量的滚转角放大了 4倍。最后测量光经检偏器合成 ,再用光电探测器接收。由测量光的相位变化可以求出工作台的滚转角变化。在整周期内 ,测量光的相位变化与滚转角成非线性关系 ,但在特定的角度上会出现线性很好的滚转角测量灵敏度倍增区。采用这种方法 ,测量放大倍率可以达到 2 0 0倍 ,能够实现高精度的滚转角测量。使用分辨率为 0 0 0 3°的相位计 ,滚转角的测量分辨率可达到 0 1″。     

Three-dimensional position measurement of a levitated nanoparticle in a vacuum by a Dove prism

Forward-scattering-light interferometry has become the most commonly used position detection scheme in optical levitation systems. Usually, three-set detectors are required to obtain the three-dimensional motion information. Here, we simplify the three-set detectors to one set by inserting a Dove prism. We investigate the role of a Dove prism in the position measurement process with an optical levitation system in vacuum. The relationship between the power spectral density and the rotation angle of a Dove prism is experimentally demonstrated and analyzed. This work shows that the Dove prism can greatly reduce the complexity of the experimental setup, which can be applied to compact optical levitation systems for studies in metrology, quantum physics,and biology.     

基于电光补偿测量的光相位延迟拓展测量法

在激光电光调制补偿测量光相位延迟量过程中,加入交流调制电压形成倍频接收信号,获得消光的精确定位,能提高测量精确度。通过调制信号形状变化与相关参量之依赖关系,可拓展测量范围,解决在某些点附近无法测量波片相位的"盲区"问题。根据接收到的调制光信号形状变化趋势与待测波片样品方位、延迟量、旋转方向等条件的联系,在待测波片快轴选定后,通过波片旋转影响信号形状变化规律的观测,可敏锐地甄别在半波点或全波长点附近波片的正负偏差特性,从而解决了一般偏振干涉补偿测量相位无法解决的测量盲区问题。不改变测量系统结构也不需添加任何器件,适应于最小延迟偏差≥λ/360的情况。     

精确确定光路中四分之一波片光轴方位的新方法

为了准确安装四分之一波片,介绍了一种精确确定光路中四分之一波片光轴方位的新方法,并利用米勒矩阵理论分析了影响测量结果的误差因素.测试方法所用的主要理论有米勒矩阵理论、傅里叶分析方法和最小二乘法.该方法利用最小二乘法得到了最优傅里叶系数,利用消光比测试原理实现了检偏棱镜的精确安装,利用反馈环控制系统对步进电机的步进角进行了控制.误差分析表明该方法的测量误差与四分之一波片光轴方位角本身的大小有关.实验结果表明该方法的标准不确定度为0.03.