利用迈克耳孙干涉仪测量波片相位延迟量和快轴方向

　　1　引　言

　　光的偏振状态是光的基本属性之一,它在很多光与物质相互作用的过程中起着关键作用,诸如在量子信息科学和量子通信技术上,在光与物质之间角动量的传递以及由此而来的光致旋转现象等研究方面[1]。正因为如此,光束偏振态的测定与转换是这类相关的研究和应用中一项不可缺少的基本技术,它在很多光学设备中也起着重要作用[2~5]。波片是实现光的偏振态测量和转换的重要元件,因为其结构简单,在各种光学设备和系统中得到广泛应用。波片对光束偏振态的测量和转换是基于光学各向异性材料对不同线偏振光分量产生不同的相位延迟来实现的,因而精确测量波片的相位延迟量和确定其快轴方向是十分必要的,一直受到人们的关注。虽然已有一些方法利用电光、磁光等效应引入可控的相位延迟量来精确测定波片参数,但这类方法需要的设备过于复杂,人们仍在致力于寻找新的更简单实用的方法。近年来,人们提出了多种测量波片相位延迟量和确定快轴方向的方法,例如旋转波片法[6]、相位比较法[7]、高频相位调制法[8]及其他方法[9~11]。这些方法在某些情况下较好地解决了波片测量的问题,但对任意波片则由于无法测定波片级次等信息,这些方法又都存在不确定性。本文对这些方法存在的不确定性问题进行分析,提出迈克耳孙干涉仪法来消除这种不确定性,作为文献[6~11]所述方法的补充和完善。利用该方法对波片进行了测量,可靠地确定了波片的相位延迟量的级次和快轴方向。

　　2　波片参数测量原理分析

　　在波片相位延迟量和快轴方向的测量方法中,有一类是基于对波片引起的光束偏振态改变的测量,而偏振态是通过测量待测光束的某一线偏振分量的强度来确定的。文献[6~11]中提出的一些技术就属于这一类。但是这类基于线偏振分量强度测量的方法,在波片级次未知的一般情况下,存在不确定性,无法准确测定波片的参数,尤其是无法确定波片的快轴方向。

　　图1给出了这类方法的实验原理图。如图所示,激光束沿z轴传播,正交配置的起偏器和检偏器垂直光束放置,起偏器的主轴(透光轴)方向为竖直方向(x方向),检偏器的透光轴方向为水平方向(y方向)。待测波片置于起偏器和检偏器之间,也与光束垂直。光电探测器检测从检偏器出射的光强。在这一配置下,入射到波片上的光束为x方向的线偏振光。

　　设θ为波片某一主轴(设为主轴1)和x轴的夹角,δ为波片引起的沿主轴1方向偏振光的相位变化与沿主轴2偏振光的相位变化之差,简称为波片的相位延迟。δ的符号取决于哪一个主轴是快轴,若主轴1为快轴,则δ>0。假定入射到波片上的电场矢量为E0,则光强为Iin=E20,通过简单的计算[6]可得检偏器处的出射光强为