分光棱镜型分振幅光度式偏振测量系统的研究

　　1　引　言

　　表征光束偏振态的4个Stokes参数[S0,S1,S2,S3]的光度式测量通常是采用入射光通过一系列的检测光学元件(如检偏器和位相延迟器等)并用光探测器测出出射光强,通过机械转动或连续的周期性调制改变检测光学元件的状态(如起偏振角或位相延迟角等),测出一组光强值,并对之作Fourier分析,进而得到4个Stokes参数[1～3]。显然这种传统的测量方式在光偏振态测量应用的新领域—光束的偏振态快速变化或使用脉冲激光器作光源的情况下,是无法适应测量需要的。

　　近年来R.M.A.Azzam首次提出了一种既无机械转动又无调制系统的光偏振态测量系统[4],它通过振幅分割方式能够近实时地同时测出所有4个Stokes参数。依据该原理,我们建立应用分光棱镜型分振幅光度式偏振测量系统。本文将论述该系统的工作原理,测试与定标方法,并给出系统的实验结果。

　　2　原理分析

　　分光棱镜型光度式偏振系统的原理图如下所示[4]:

　　BS是分光棱镜,它把待测的入射光束i分为反射光束ir和透射光束it,两块偏振分束棱镜WP1和WP2分别把反射光束和透射光束再各自分为偏振方向互相垂直的两束分量光,然后由紧随其后的线性光电探测器D1,D2,D3,D4测出其光强,得到4个输出信号i1,i2,i3,i4。设Si,Sr和St分别为入射、反射和透射光束的Stokes矢量,它的X-Y参考轴分别平行于和垂直于分光棱镜的入射面。其中Si是待测的Stokes矢量:

　　设分光棱镜BS的反射Mueller矩阵和透射Mueller矩阵分别为R=(rij)和T=(tij),则有:

理想检偏器的Mueller矩阵的首行可表示为:

A为偏振方位角。

则离开WP1和WP2的光强分别为:

式中A1和A2为WP1和WP2的偏振方位角,以入射面为零点逆时针方向转动而得到,且有:

    （6）

　　最后不妨设第k个光电探测器的光电转换系数为Ck,光电转换系数是探测器的辐照响应度,电路的流压转换系数和电压放大倍数的乘积,于是得到的4个输出信号为:

以各ik为元素的电信号矢量为:

　　由上式,我们就得到了仪器矩阵A的表达式,它是一个表达了该光度式偏振计特性的4×4矩阵,由BS的反射和透射矩阵,WP1和WP2的方位角设置以及各探测器的光电转换系数Ck共同决定。

　　不妨设WP1和WP2的方位角A1=A2=π/4,这也是实际操作时最常使用的设置,再代入上式,我们就能得到仪器矩阵为:

（9）

　　其中φ,Δ为椭偏参数。现在我们来讨论一下在何种条件下矩阵A才是非奇异的,这样它就能同时测定4个Stokes矢量。由上式可得矩阵A的行列式为: