高精度消色差相位延迟器性能测试研究

基于偏振调制原理，搭建了一套测量菱体型消色差相位延迟器延迟量的实验系统.利用本系统对高精度消色差相位延迟器进行了性能测试，实验结果表明特殊角入射的高精度消色差相位延迟器的设计原理正确，具有良好的消色差性能.对该系统进行误差分析表明系统测量误差小于1%，具有较高的精度，能够满足菱体型相位延迟器性能测试的使用要求，具有实际使用价值. 关键词： 偏振 消色差 延迟器 高精度     

消色差相位延迟器的光谱特性测试研究

本文应用归一化偏振调制原理建立的测试系统 ,对常规菲涅耳菱体、改进型菲涅耳菱体、斜入射型以及直角棱镜组合型的消色差相位延迟器的光谱特性进行了测试研究 ,得到了各延迟器的消色差特性曲线 ,并对测试结果进行了分析。结果表明改进型菲涅耳菱体以及直角棱镜组合型消色差相位延迟器 ,是目前较理想的实用型消色差相位延迟器。     

消色差λ/4波片的系统级标定方法研究

消色差/4波片具有一定的二向色性和相位延迟量误差,导致仪器偏振测量产生误差。从考虑全偏振CCD相机自身偏振效应的辐射模型入手,借助积分球辐射源和高精度辅助旋转偏振器,研究系统级非理想消色差/4波片的标定方法。结果发现:消色差/4波片的二向色性和相位延迟量参数随仪器的工作波长与带宽发生变化,波段650 nm（相位延迟量88.90）和750 nm（相位延迟量88.65）消色差效果相对较好,而波片在波段850 nm（相位延迟量84.33）相位量偏差较大;通过相位延迟量的标准误差分析,得出消色差/4波片的系统级标定方法精度优于0.8。     

消色差谱相位延迟器的光谱特性测试研究

本文应用归一化偏振调制原理建立的测试系统，对常规菲涅耳菱体，改进型菲涅菱体，斜入射型以及直角棱镜组合型的消色差相位延迟的光谱特性进行了测试研究，得到了各延迟器的消色差特性曲线，并对测试结果进行了分析。结果表明改进型菲涅耳菱体以及直色棱镜组合型型消色差相位延迟器，是目前较理想的实用型消色相位延迟器。     

四区域法消除偏振棱镜缺陷对波片相位延迟测量的影响

在起偏器-待测波片-检偏器系统基础卜提出一种四区域测量波片相位延迟量的方法.调整待测波片和检偏器的方位角,获得相应的四组光强值,通过线性运算得到待测波片的相位延迟量,完全消除了起偏器和检偏器不完全消光带来的误差.由于测量系统中不存在标准波片或其他相位调制元件,允许测量波长仅受偏振棱镜和探测器的限制,因此四区域法可适用于很大波长范围内的波片测量.以λ/4波片为例,理论分析了测量系统利用四区域测量法后的仪器误差为σφ≤士3.49065×10-3rad(约0.2°),精度比原算法提高约1个数量级.实验验证了四区域法能有效提高系统精度.     

基于亚波长金属介质膜光栅的宽光谱消色差相位延迟器

消色差相位延迟器可以在较宽光谱范围内获得所需要的相位延迟量,是偏振光调制的核心元件之一。根据严格耦合波理论和遗传算法,提出了一种基于夹层式亚波长金属介质膜光栅的宽光谱消色差相位延迟器的设计方法,并设计了一种在900~1200nm波长范围内实现消色差的相位延迟器,其相位延迟量在90°左右的最大偏差小于2.3%,且横电波和横磁波的衍射效率均高于90%。数值分析表明,所设计的消色差相位延迟器对槽深和入射角具有较大的工艺容差。该消色差相位延迟器设计简单,性能稳定,具有重要的应用价值。     

高精度消色差相位延迟器的新设计

消色差相位延迟器是在某一宽度光谱范围内使用的光相位延迟器件。从相位延迟的全反射相变理论出发,对斜入射消色差相位延迟原理进行阐述,参考菲涅耳棱镜的具体设计形式,对引起相位延迟变化的参量进行分析,通过选择合适的材料新设计出了特殊角度入射的高精度相位延迟器,其理论曲线显示,在365~1150nm的光谱区域内延迟偏差小于0.4°,是常规相位延迟器在相同条件下的五分之一,是一种宽广谱范围内、负延迟偏差小、精度高的消色差相位延迟器。     

双菱体λ/4消色差相位延迟器的设计

根据菲涅尔全内反射相变理论,给出了双菱体λ/4消色差器的结构设计、性能分析和测量方法.由有效通光孔径和光线追迹设计出BK7玻璃在波长532 nm时相位延迟λ/4的双菱体的结构,用作532 nm至1 064 nm波长范围的标准λ/4相位延迟器.理论分析了入射角变化和波长变化对双菱体相位延迟的影响,当入射角变化限制在±4.3°以内时,其影响得到补偿;波长从532 nm到1 064 nm产生的误差为－0.65°.采用椭偏法中的消光技术,分别实测了双菱体在532 nm和1 064 nm波长下的相位延迟为：90.08±0.14°和88.99±0.1°,可知两不同波长产生的相位延迟误差为－1.09°.     

新型光谱调制偏振测量技术研究

光谱调制偏振测量技术是一种新型的偏振调制技术,通过由消色差/4波片、多级相位延迟器和偏振器组成的调制模块,能够把入射光的偏振信息调制到光波的光谱维上,得到线偏振度和线偏振角呈规律变化的正弦曲线。设计解调算法对偏振调制后的光谱进行解调,可以得到目标不同波长处的线偏振度、线偏振角、光谱及辐射信息。文中阐述了光谱调制偏振测量技术的基本原理,给出具体实现方案。设计解调算法,搭建实验平台并进行实验验证。实验结果表明该技术的正确性及实际应用的可行性。相对于传统的偏振调制方案,该方案无运动、电控部件,具有体积小、重量轻的优点,一次测量即可得到目标的偏振信息,而不是测得Stokes矢量后再经进一步计算。本研究为新型空间偏振探测遥感器的开发提供一种新的技术途径。     

红外波段复合消色差1/4波片的优化设计

 在三元复合式消色差波片设计的基础上,对拓宽消色差范围的重要因素——单波片延迟量和复合角度进行了进一步分析和测试,提出了优化设计方案;利用石英晶体设计了适用于红外光通信波段的复合消色差波片。理论和实验均表明：通过调整单波片延迟量或改变复合角度可使该波片在中心波长为1 400 nm的900 nm~1 800 nm波长范围内最大延迟偏差≤5%,而在光通信波段（1 200 nm~1 600 nm）该复合波片的最大延迟偏差只有3.2%。     

双折射晶体相位延迟片的延迟量色散性分析

为了分析双折射晶体相位延迟片(即波片)的延迟量色散性质,由晶体已知的折射率数据,拟合得出光线垂直入射不同双折射晶体波片的相位延迟与波长的关系式。在此基础上针对几个常用设计波长和选定级数的波片,利用MATLAB软件拟合,得到入射光波长与波片相位延迟量的变化关系曲线。结果表明,不同双折射晶体波片其消色差特性具有很好的一致性,其原因在于晶体双折射率色散的一致性;同一设计波长的波片,其消色差效果随着波片级数的增加而变差;而对于相同的级数,设计波长越长其波片的消色差效果越好,且随波长增加,波片的消色差效果变好具有线性关系。     

晶体相位延迟量的测量

通过2束平面偏振光的合成推导出椭偏测量的基本原理,给出了用标准1/4波片测量晶体相位延迟量的测量原理.在测量时不必知道待测晶体的具体光轴方位,只需调节标准1/4波片、待测晶体的快(慢)轴与起偏方向平行,然后将晶体逆时针转过45°.测量装置采用了步进电机带动检偏器旋转,使用光电探测器采集数据,经计算机处理,根据数据曲线直接读出待测晶体的相位延迟量.该方法可以方便快捷地测量任意相位延迟.     

分振幅型全Stokes同时偏振成像系统波片相位延迟误差分析

分振幅型全Stokes同时偏振成像仪具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点,有很高的应用价值.分振幅型全Stokes同时偏振成像系统利用偏振分束器、1/2波片和1/4波片将入射光Stokes矢量调制在4幅图像中,可解析入射光Stokes矢量. 1/2波片和1/4波片的相位延迟误差对Stokes矢量测量精度有着不可忽略的影响.建立了包含上述两种误差的Stokes矢量测量误差方程,分析了1/2波片和1/4波片相位延迟耦合误差对自然光、0°/45°线偏光、左旋圆偏光等典型基态入射光的Stokes矢量测量误差的影响,推导了任意偏振态的Stokes矢量测量误差的表征方法.在邦加球球面和球内选取不同偏振度的Stokes矢量作为入射光进行仿真.结果表明, Stokes矢量测量误差和偏振度测量误差均随着入射光偏振度的增大而增大.选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统.为满足2%的偏振测量精度, 1/2波片相位延迟误差应在±1.6°内, 1/4波片相位延迟误差应在±0.5°内.这对提高系统的偏振测量精度具有重要意义,为系统设计和研制提供了重要的理论指导.     

基于遗传算法的三元复合宽带波片设计

提出在三元复合宽带波片设计中,采用遗传算法在特定入射光频率范围内对复合波片系统的相位延迟误差和等效快轴方向夹角误差进行全局优化,并采用蒙特卡洛方法,通过程序仿真分析在晶体加工过程中尺寸公差对消色差性能的影响.结果表明,设计出的红外复合宽带波片在晶体厚度和方位角公差分别为1μm和0.5°时具有很好的消色差性能.     

基于大面阵CCD的复消色差航空相机物镜设计

为了满足航空相机物镜结构简单及高分辨率的要求,提出了一种基于波差法校正长焦距、宽波段的大面阵CCD航空相机物镜二级光谱的方法.介绍了二级光谱的基本原理,给出了波差法设计复消色差物镜的方程组.采用普通光学材料设计了复消色差航空相机物镜,系统焦距为400 mm,相对孔径为F/4,工作波段为420～850 nm.给出了光学系统图、纵向像差图及调制传递函数图.设计结果表明,采用该方法设计的航空相机物镜在60 lp/mm处各视场传递函数均在0.75以上,满足接收器件有效尺寸为36 mm×48 mm的大面阵CCD成像要求.     

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。     

1/4波片相位延迟分布的动态测量

通过密勒矩阵和斯托克斯参量法对一种1/4波片的相位延迟分布的测量模型进行了推导,并设计出一种空间分光移相器,取代一般测量系统中的检偏器,使得系统能于瞬间同时采集四幅具有90°移相步长的干涉图,避免了环境振动对测量的影响,从而可以对1/4波片的相位延迟分布进行动态在线测量.对一个实际标称波长632.8 nm的1/4波片进行了测量,结果显示其平均延迟量为149.36 nm,且接近75%部分其相位延迟误差在5 nm之内,显示出较好的延迟均匀性.     

基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量

波片精度对偏振光学系统性能有着重要的影响,故需要对其相位延迟量和快轴方位角进行高精度测量。提出了一种新型基于双频激光干涉相位检测的高精度波片测量方法,采用双频激光外差干涉光路,利用一个可旋转半波片和一个角锥反射棱镜测量待测波片,可实现任意波片的相位延迟量和快轴方位角的高精度同时测量。所提方法不受波片、偏振片等双折射器件的方位角精度的影响,从原理上避免了该类系统误差。所设计的系统具有共光路结构,测量稳定性高,信号处理采用相位检测方式相对于一般的光强检测方式测量精度更高。此外,所设计的测量系统中元件很少,结构简单,测量过程快捷。误差分析表明,在现有实验条件下,测量系统的波片相位延迟量的测量不确定度约为3.9′,快轴方位角的测量不确定度约为5′′。实验比对结果表明,所提方法的测量结果与其他方法测量结果的一致性很好。重复性测量实验表明,测量结果的标准偏差约为2′。     

菱体型消色差相位延迟器延迟相位的方位效应

菱体型相位延迟器是高度消色差的λ/4相位延迟器.由于材料折射率色散的影响,在可见光范围内,仍存在2°的延迟偏差.为满足精确应用和测量的需求,从相位延迟的全反射相变理论出发,阐述了斜入射相位延迟原理,以菲涅耳菱体为例,分析了菱体型相位延迟器相位延迟随其入射角变化的规律性,结果表明:当光线非严格准直时,光的入射角对相位延迟量有明显的影响,延迟量不但对入射角变化敏感,而且还与入射光线的入射方位密切相关,呈不对称形式.当入射光的波长改变时,只需改变菱体延迟器的方位,让光线在菱体的前端面上斜入射,适当选取入射角,就可以补偿相位延迟的色散偏差,使同一菱体达到对不同波长都满足λ/4相位延迟.当角度调整精度Δi=±0.01°时,引入的延迟偏差不超过±0.009°,这一精度是其它石英波片或云母波片所不能比的.     

单层介质膜反射棱镜式光学相位延迟器件研究

反射式介质膜光学相位延迟器件在具有波片的功能的同时,还可用作光束保偏(或相移)转向器件及光束保偏(或相移)平移器件等,是光学领域中近10多年出现的新型器件,在科研与光学工程中有广泛的应用与需求.本文从理论上系统地研究了各相关因素对单层介质膜反射棱镜式光学相位延迟器件相位特性的影响,探讨了该类光学相位延迟器件的设计方法,给出了一个设计实例及相应的实验结果.