光栅分振幅光偏振测量系统的研制

　　引 言

　　光偏振测量术已经广泛应用于电子、化工、生物、医药和材料等领域。在许多应用中光偏振态的测量是非常有意义的。由于传统测量光偏振的方法普遍存在转动部件或调制器，限制了它们在光波偏振态快速变化场合下(如跟踪材料表面发生快速的物理化学反应)的应用。1982 年，Azzam 首先提出了一种利用振幅分割方式实现多信号通道的高速测量光偏振的装置——分振幅光偏振仪(DOAP)[1-3]。它使用一个镀膜分光器和两块渥拉斯顿棱镜(或相同作用的偏振分光镜/体)将入射光分割为四束，用四个光电探测器分别将它们的光强转换为电信号，利用这些电信号和通过定标过程获得的仪器矩阵就可以确定待测的任意光偏振态。由于 DOAP 没有使用转动部件和调制器，所以它能够同时快速地测量出描述待测光偏振态的全部 Stokes 参数。

　　我们设计了一种既能够产生反射光衍射又能够产生透射光衍射的特殊金属光栅，根据 DOAP 的工作原理，将它作为主要的分光器件研制出一种高速测量光偏振态的传感器——光栅分振幅光偏振测量仪(G-DOAP)。

　　1 工作原理

　　用真空溅射的方法，在光学玻璃上溅射一层金属铬，然后在铬的表面上刻蚀出如图1 所示的金属光栅。它的有效面积 2cm×2cm，透光条和金属条的宽度均为 1.5μm。这种光栅既能产生反射光衍射又能产生透射光衍射，并且衍射级别相同的反射衍射光束和透射衍射光束的光强近似相等。

　　如图2 所示，入射光照射在金属光栅上，产生反射光衍射和透射光衍射，当入射面与光栅的栅格垂直时，衍射光束在一个平面内。我们用±1 级反射衍射和±1 透射衍射实现入射光偏振态的测量，用 m(m=0，1，2，3)来标识它们。四个光电探测器 Dm(m=0，1，2，3)分别将这四束光的光强线性地转换为电信号 im(m=0，1，2，3)，在每个探测器的前面放置一个方位角 Am(m=0，1，2，3)的起偏器。探测器输出的电信号 im等于入射光四个 Stokes 参数的线性组合，即

　　对于给定的波长，上面列出的条件很容易满足。获得仪器矩阵 A 后，根据公式(4)，利用四个探测器输出的电信号矢量就可以确定出描述入射光偏振的全部四个 Stokes 参数。在实际应用时，仪器矩阵 A 是采用定标的方法测量得到的。

　　2 测量装置

　　基于上述原理，我们研制出图3 所示的光栅分振幅光偏振测量系统(G-DOAP)。它主要由四个功能模块构成：(1)偏振态发生器(PSG)，产生定标或测试时所需要的偏振态，定标完成后可以去掉。(2)偏振态探测器(PSD)，将入射光分为四束，由四个光电探测器分别将各光束的光强转换为电信号。(3)信号处理模块。(4)计算机和数据采集器，将信号处理模块输出的电信号转换为数字信号，实现系统的数据采集和数据处理。