大动态范围可调线性偏振度参考光源检测与不确定度分析

介绍了一种新型高精度大动态范围可调线性偏振度参考光源(VPOLS-II),在0.46~2μm波段内线性偏振度调节范围达到0~0.72。VPOLS-II采用四片平板玻璃起偏的工作原理,辐射光源经过积分球和扩束器准直系统形成具有较高均匀性和平行度的入射光,再经过偏振态调节器输出不同线性偏振度的偏振光。将光谱偏振分析仪实验测量结果与理论计算值进行了比对,分析了VPOLS-II输出线性偏振度不确定度的影响因素。结果表明,线性偏振度范围0~0.72内,VPOLS-II的线性偏振度与理论预测值的差异小于6×10-3。在线性偏振度范围0.01~0.09和0.09~0.72内,线性偏振度的不确定度分别为8.8%~0.936%和0.936%~0.184%。这种新型参考光源可用于偏振光学遥感器的实验室偏振定标和系统级性能检测。     

基于可调偏振度源的PSIM偏振光谱仪线偏振度测量结果定标校正

提出了一种基于可调偏振度源的偏振定标方法,利用方法完成了基于偏振光谱强度调制(PSIM)技术偏振光谱仪的线偏振光偏振度测量结果定标校正。以可调偏振度源输出的不同偏振度的线偏振光作为待测光源,用PSIM偏振光谱仪测量待测光源输出得到原始数据。将原始数据解析处理得到的偏振度谱与待测光源输出的理论偏振度谱进行线性拟合,得到校正系数。利用该校正系数对PSIM偏振光谱仪的测量处理结果进行定标校正。结果表明:在有效测量波段内(500~650nm),定标校正后PSIM偏振光谱仪的线偏振度测量解析精度明显提高,与待测光源输出的标准偏振度值间的最大误差由0.017减小到约为0.003,基于可调偏振度源的偏振定标校正方法具有可行性。     

强度调制偏振光谱仪解调系数参考光测量方法

针对由理论计算得到的解调系数无法实现强度调制偏振光谱仪实验系统(以下简称"实验系统")测量数据解调处理的问题,提出了测量参考光获取实验系统解调系数的解决方法。该方法通过测量已知偏振态参考光经过实验系统调制器后输出的强度谱,结合傅里叶变换、滤波和逆傅里叶变换等数字信号处理过程,可从测量结果中分离出实验系统的真实解调系数。分析了该方法的理论依据,给出了实验系统解调系数的实测结果,并利用得到的解调系数,对实验系统测量典型待测光源(近似自然光和完全线偏振光)的测量数据进行了解调处理。解调处理结果显示:在有效测量波段范围内(550～650nm),以卤钨灯为光源的平行光管直接输出光的偏振度值约为10%;经过线偏振器起偏后,其偏振度值接近100%,与实际分析结果完全相符。验证了强度调制系统解调系数参考光测量方法的可行性。     

可见光波段可调偏振度光源设计与实验

当自然光以一定的角度通过玻璃片堆时,其岀射光是线偏振度一定的部分偏振光。利用该原理研制了一台可见光波段线偏振度可调节的偏振光源。分别测量了玻璃片堆在0°、15°、30°、45°和60°倾角时偏振光源输出光在可见光波段的线偏振度谱,并将测量结果与理论输出结果进行了比对。结果表明,有效测量结果与理论输出结果之间最大误差不超过0.8%。实现了可调偏振度光源的预期设计目标。     

偏振光谱的土壤湿度遥感方法实验研究

偏振探测作为一种新型遥感技术,是对传统光谱遥感探测的有益补充,为目标遥感探测提供更丰富的信息。用地物偏振光谱仪实验测量,分析土壤湿度与偏振光谱的相关性,同时研究不同观测角下的土壤表面反射光偏振光谱特性。结果表明：在土壤湿度较高的情况下,偏振光谱与土壤湿度具有一定的相关性,尤其在500～700 nm波段,湿度与偏振度呈正比关系;低湿度的情况下,偏振光谱与土壤湿度相关性不明显;此外,不同观测角对偏振光谱也有影响,如入射角固定为50°,观测角在20°～60°区间测量时,偏振度随观测角增大而增大,且观测角愈大,偏振度随湿度的变化愈显著。     

新型偏振光谱仪调制器的简易装调方法

提出了一种适用于新型偏振光谱仪调制器实验室装调的简易方法。介绍了该方法的理论依据,基于该方法完成了调制器的实验室装调实验。为了验证该方法的有效性,用装调完成的调制器搭建了新型偏振光谱仪实验装置,通过测量得到了由调制器形成的载波信号,并用该载波信号对实验装置的测量数据进行了解调处理。结果表明:在有效测量波段内(525~700nm),以卤钨灯为光源的平行光管直接输出光的偏振度<10%;经过线偏振器起偏后,输出光的偏振度值接近100%。与理论分析的结果一致,验证了该方法的可行性。     

一种高精度偏振遥感探测方式的精度分析

检偏器的角度误差是影响偏振遥感探测精度的重要因素之一,是许多高精度定量化偏振遥感需要考虑的一个问题。在检偏器(0°,60°,120°)放置的测量系统中,当入射光偏振角接近于0°或180°时偏振测量易产生最大误差值,而偏振角接近30°,90°和150°时,偏振度的测量具有很高的精度;在检偏器(0°,45°,90°)放置方式中,偏振角接近45°的光束测量易具有最大误差值,而偏振角接近于0°,90°和135°时,角度误差对偏振度测量精度的影响很小。除了个别偏振角外,对高偏振度入射光束的偏振测量通常具有较大的偏振测量误差。因此,引进线偏振光的平均偏振度测量精度描述偏振测量装置的优劣,结果表明检偏器(0°,60°,120°)放置方式优于检偏器(0°,45°,90°)放置方式。     

主振荡功率放大 (MOPA)短脉冲光纤激光系统的偏振特性研究

对自行研制的MOPA（master oscillator power amplifier）结构短脉冲双包层光纤激光系统（2W,35ps）的偏振特性进行了系统的研究。分别研究了种子源激光和经过包层泵浦放大后输出激光在连续工作和脉冲输出情况下的偏振特性,结果表明在不加偏振控制措施情况下,系统输出为椭圆偏振光,偏振度和偏振角都容易受到光纤扰动的影响;在激光腔内加入起偏器后,输出线偏振光,偏振态相对比较稳定,但是偏振角度仍然容易受到光纤扰动的影响,可以加偏振控制器加以改善。实验证明,经过高功率放大后,输出激光的偏振态稳定性有一定程度的下降,在进行激光相干合成前需进一步加以控制。     

光源的偏振态对动态光散射颗粒测量结果的影响

研究了在动态光散射纳米颗粒测量中,光源的偏振态对测量结果的影响。采用了粒径为100nm、体积浓度为0.5%的标准颗粒作为样品,使He-Ne激光通过起偏器得到0°～180°方向的偏振光,测量了散射光强、偏振度和粒径测量值的变化,计算了相应的粒径均值偏差和标准差,并将这一结果与无偏振He-Ne激光入射进行了比较。结果表明,当入射光为线偏振光时,偏振方向垂直于散射面时测量效果最好;另一方面,由于颗粒系散射迭加造成的散射光偏振度降低,使线偏振光源与无偏振光源产生的散射光偏振度无明显差别,证明在测量中可以使用无偏振He-Ne激光代替。     

光的偏振性对Hanbury Brown-Twiss实验的影响

在理论和实验上研究了完全偏振光的不同偏振态和光的偏振度对Hanbury Brown-Twiss实验二阶关联函数g(2)的影响.实验中用线偏振光通过1/4波片获得椭圆偏振光,并通过旋转波片实现对完全偏振光偏振态的改变;用两柬振动方向相互垂直,传播方向相同且相位差随机的线偏振光合成部分偏振光,并通过调节一束光的光强实现对合成光偏振度的改变.结果表明:对于完全偏振光,其偏振态的改变对g(2)没有影响;对于不同偏振度P的光源,g(2)为P的二次函数.特殊地,自然光情况下P=0,g(2)的理论最大值为1.5;完全偏振光情况下P=1,g(2)的理论最大值为2.理论与实验符合得较好.     

光束在自由空间中传输的偏振特性变化研究

光束在自由空间中传输时,其偏振特性随传输距离和光源参数的改变显示出不同的变化规律。为了研究其变化规律,以偏振相干统一理论为基础,仿真分析了各向同性和异性光束在自由空间传输时的偏振度变化规律。结果表明,光束在自由空间中传输时,光谱总密度随着传输距离的增加而逐渐降低,偏振度在经过长距离传输后会达到稳定;波长及光斑影响偏振度达到稳定状态距离,相干长度影响其到达稳定值的大小。对于非偏振和全偏振光束在自由空间传输时,只在特定条件下光谱的偏振度会保持不变。     

光的偏振对热光关联成像的影响

根据完全偏振光的不同偏振态和部分偏振光的不同偏振度对二阶关联函数的影响,利用统计光学理论研究了光的不同偏振性质对关联成像的可见度和信噪比的影响.研究表明,光的偏振对热光关联成像的影响体现在部分偏振光的不同偏振度上,关联成像的可见度是偏振度的二次函数,由二阶关联函数方法得到的信噪比随着偏振度增大而提高,而利用减去背景项的二阶关联函数以及二阶相干度方法得到的信噪比均与偏振度无关. 关键词： 关联成像 偏振 可见度 信噪比     

分振幅偏振成像相机标定方法研究

在分振幅偏振成像探测器标定过程中,针对标定系统引入的误差和探测器自身误差的超多影响因素的强耦合问题,提出采用一种非线性最小二乘拟合法,将探测器与标定系统的主要误差影响因素以未知参数的方式代入拟合方程中进行标定计算.在波段为532 nm的入射光源下,对标定后探测器的精度进行了验证.探测线偏振光的偏振角误差在0.2°以内,线偏振度误差在2.5%以内,探测左右旋圆偏振光的圆偏振度误差在3.5%以内,满足了天空偏振探测的应用.非线性最小二乘拟合法可以有效的标定分振幅偏振成像探测器.     

主振荡功率放大短脉冲光纤激光系统的偏振特性研究

对自行研制的主振荡功率放大结构短脉冲双包层光纤激光系统(2W,30ps)的偏振特性进行了研究.分别研究了种子源激光和经过包层泵浦放大后输出激光在连续工作和脉冲输出情况下的偏振特性,结果表明在不加偏振控制措施情况下,系统输出为椭圆偏振光,偏振度和偏振角都容易受到光纤扰动的影响;在激光腔内加入起偏器后,输出线偏振光,偏振态相对比较稳定,但是偏振角度仍然容易受到光纤扰动的影响.实验证明:经过高功率放大后,输出激光的偏振态稳定性有一定程度的下降,在进行激光相干合成前需进一步加以控制.     

基于傅里叶变换的强度调制型光谱偏振分析仪

为了获得更高精度的目标光谱偏振特性,结合现有的标准探测器技术与偏振探测技术原理,研制了一种光谱偏振分析仪。采用连续等角度间隔旋转检偏器对目标信号进行强度调制,通过傅里叶级数算法能够显著降低检偏器定位误差引起的偏振度测量不确定度。利用优化设计的测量主光路和大动态范围线性优良的标准陷阱探测器,保证了偏振度测量精度。利用可更换窄带滤光片实现了光谱偏振度测量。经实验验证,在0.1~0.99偏振度的范围内,光谱偏振分析仪的测量不确定度为0.15%。     

光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量的影响

颗粒后向散射系数是水体主要的固有光学特性,也是海洋水色的决定因子和海洋水色卫星遥感反演的基础参数。当前,利用光学仪器现场原位测量是获取水体颗粒后向散射系数的主要方法。由于光源自身和仪器光路中镜面反射和折射,其出射光源可能存在一定的偏振,进而会影响水体后向散射系数测量的精度。目前,关于水体后向散射系数测量仪器的光源偏振性及其对颗粒后散射系数测量精度影响的研究尚为空白。针对该问题,以应用广泛的水体后向散射测量仪HydroScat6(HS-6)为例,对其出射光源的偏振特性进行了系统测量,并进一步开展了光源偏振对水体颗粒后向散射系数测量精度影响的实验研究。结果表明,HS-6六个光学通道除590 nm通道出射光源偏振度略低外(~15%),其他通道出射光源中心波长偏振度均在20%~30%。因此,HS-6出射光源具有显著的偏振特性。光源偏振对颗粒后向散射系数测量具有不可忽略的影响,且影响程度随着波段,线偏振角度及悬浮泥沙浓度而变化。不同悬浮泥沙浓度下,光源偏振引起的420,442,470,510,590和670 nm六个波段的平均偏差可达15.49%,11.27%,12.79%,14.43%,13.76%,12.46%。因此,利用光学仪器现场测量颗粒后向散射系数需要考虑光源偏振的影响,并需尽可能降低出射光源的偏振度。     

星载光栅光谱仪消偏器性能研究

星载光栅光谱仪中的光栅有着强烈的偏振响应。为了保证光谱仪测定的光谱分布的准确性,必须在光辐射进入仪器光谱测量部分之前就消去光辐射的偏振。应用矩阵光学推导出了这种紫外石英消偏器的残余偏振度,并得到影响其消偏性能的几个因素。建立了一套测试系统,在300-360nm波段上对其消偏性能进行了研究,得出入射光经过紫外石英消偏器后的残余偏振度变化范围1.2%-5.7%。与理论推导有较好的一致性。并按照国际通用不确定度评估规范,对测量结果进行不确定度分析和评估,组合不确定度小于1.8%。     

基于光谱调制的线偏振测量技术研究及精度验证

基于光谱调制的线偏振测量技术通过光谱调制模块可将入射光的偏振信息调制到光谱维。光谱调制模块由消色差1/4波片、多级波片和偏振分束器组成,能够在单次测量中获取目标的线偏振及光谱信息。将调制模块和光栅光谱仪相结合,设计了双通道偏振测量系统。推导了系统偏振测量模型,分析了光谱仪光谱展宽对调制光谱的影响,并采用分周期最小二乘曲线拟合方法实现了对偏振信息的解调。此外,搭建了测试装置来验证测量系统的性能。首先,利用完全线偏光对多级波片的延迟量和系统的偏振效率进行了标定。然后,利用可调偏振度光源验证了系统的偏振测量精度。实验结果表明,可调偏振度光源输出的理论线偏振度值与测量值间的最大绝对偏差为1.11%,线偏振方位角的最大偏差为0.7°,即所提系统具有较高的偏振测量精度。     

椭球粒子烟雾浓度对激光偏振度影响的实验研究

以斯托克斯矢量理论为基础,通过搭建偏振传输半实物模拟装置进行模拟实验,观测激光在模拟环境(不同浓度的椭球粒子在非均匀分布状态)下偏振度(degree of polarization, DOP)的变化。实验选取灵芝孢子碳化粉末作为椭球粒子的实验对象,通过烟雾机将椭球粒子形成不同浓度的烟雾,研究入射波长为532 nm、671 nm的激光在0°、+45°、90°的线偏振光以及左旋圆偏振光经过模拟环境后偏振度(DOP)的变化情况。实验结果表明:入射偏振光随着烟雾浓度的增大,偏振度呈下降趋势;3种入射线偏振光随浓度增大降幅不尽相同,没有明显的规律可循;不同波长低浓度烟雾时,线偏振光与圆偏振光的偏振度下降幅度大抵相同,大约为3%左右;随着烟雾浓度的增大,线偏振光的偏振度表现出不同程度的下降,可达20%,圆偏振光的偏振度仅下降5%,表现出了较好的保偏能力。     

空间振幅调制光谱偏振测量技术研究

空间振幅调制光谱偏振测量技术通过由光楔、偏振片组成的调制模块,将目标的偏振信息调制到与光谱维垂直的空间维,单次测量即可同时获取目标的偏振信息和光谱信息。首先阐述空间振幅调制光谱偏振测量技术的基本原理,然后利用空间调制光谱偏振仿真软件进行理论仿真,并且给出了具体的实验研究方案,通过对比理论模拟图像和实验图像,验证实验的可靠性。以Q=0,U=1,V=0和Q=1,U=0,V=0作为入射偏振光进行实验,在波长范围500～600 nm采样10组数据,利用最小二乘法对实验输出的偏振光进行偏振解调。结果表明：解调后入射光的线偏振度与参考入射光的误差值分别小于2.5%和4%,偏振角误差值小于1.8%和2%,验证了实验和算法的可行性,并对两组复合光楔中心误差对偏振测量的影响作了简要分析,结果表明中心误差对偏振分量Q和V的测量影响较大。