一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法，测量装置包括分束器和在分束器的两个分光路上分别各自引入的波片、分光器件、两个光电探测器。入射偏振光经分束器后，产生两束偏振态不同的偏振光，这两束偏振光再分别垂直入射到两块波片上，通过波片的位相调制作用，产生两束具有新偏振态的光束；另外两个分光器件将这两束偏振光变成四束偏振光，并垂直入射到四个光电探测器上，产生相应的电流信号，调节两块波片的方位角至最佳方位角，能使仪器矩阵最优化。通过定标求解出仪器矩阵后，将待测光所引起的电流信号进行计算求解，可实现入射光斯托克斯参量的实时测量。本发明的结构和优化方法简单，易于实现，测量精度高，适应性更强。
【专利说明】一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学测量与计量【技术领域】，特别涉及一种偏振光斯托克斯参量的测量装置及其优化方法。
【背景技术】
[0002]光束偏振态的斯托克斯(stokes)参数的精确快速测量在工业、军事及科学研究等方面有广泛应用意义。偏振光斯托克斯参数椭偏仪就是典型的应用，它具有测量速度快、测量精度高等特点，在光学测量、薄膜及材料性质研究与光刻成像等许多领域有重要应用。测量光偏振态托克斯参数的装置主要有:旋转元件的光度法测量装置及分振幅光偏振测量装置(D0AP)。目前，国内外已经研制出十多种不同结构的分振幅光偏振测量装置，主要有镀膜分光器型、四探测器型、金属光栅型、液晶型及光纤型等。1982年美国学者R.M.A.Azzam设计了第一台利用振幅分割法测量光偏振的装置(D0AP)，没有任何转动部件或调制器，结构简单。但没有对其结构进行优化设计。实际研究表明:对DOAP中的镀膜分光镜的设计参数是有一定要求的，这样，系统才到达最优化，测量精确度才最高，稳定性最好，样品适应性最强。但要获得符合要求的镀膜分光器，并非易事，要对镀膜过程及参数进行精确设计及控制。针对振幅分割法测量光偏振的装置存在的问题，在该结构的基础上，本发明引进二块有位相调制作用的波片，构建了基于位相调制的分振幅光偏振测量装置，并提出了系统仪器矩阵的优化方法。
【发明内容】
为解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种分振幅偏振光斯托克斯参数的测量装置及其优化方法，不但避免特殊及复杂的镀膜或刻蚀工艺，而且能够提高偏振光参数的可靠性、测量精度及适应性，具体技术方案如下。
[0003]一种偏振光斯托克斯参量的测量装置，其包括将入射光分为透射光及反射光的分束器，在透射光路还依次包括用于位相调制的第一波片、实现偏振分光的第一分光器件和分别接收经第一分光器件分光后的两束光的第一光电探测器与第二光电探测器；在反射光路上还依次包括用于位相调制的第二波片、实现偏振分光的第二分光器件和分别接收经第二分光器件分光后的两束光的第三光电探测器与第四光电探测器；四个所述探测器的光强信号输出端通过数据采集卡与用于对数据进行处理的电子计算机连接。
[0004]上述的偏振光斯托克斯参量的测量装置中，所述透射光和反射光为两束偏振态不同的偏振光，透射光垂直入射到第一波片上，反射光垂直入射到第二波片上，第一分光器件、第二分光器件进一步将所述两束偏振态不同的偏振光变成四束偏振光，四束偏振光经四个所述探测器后产生相应的电流信号；所述第一波片、第二波片的方位角可调，调节两块波片的方位角至最佳方位角，能使仪器矩阵最优化，通过定标求解出仪器矩阵后，将待测光所引起的电流信号进行计算求解，实现入射光斯托克斯参量的实时测量。
[0005]理论上，第一波片、第二波片的位相延迟量有多种组合，典型的有:第一波片、第二波片的组合采用二分之一波片与四分之一波片相互组合或采用二分之一波片与四分之一波片组合、二分之一波片与二分之一波片组合、四分之一波片与四分之一波片组合、或者四分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合，二分之一波片与其不同位相延迟量的波片
组合等。
[0006]上述偏振光斯托克斯参量的测量装置的优化方法，可以采用实测法，具体过程为:在测量装置的光路结构确定及各光学元件选定的条件下，通过调节第一波片、第二波片的方位角实现优化，即通过实际测量不同方位角下测量装置的仪器矩阵的行列式大小，获得矩阵行列式的大小与波片方位角的关系曲线进而确定当仪器矩阵最大时所对应的波片最佳方位角，实现测量装置的仪器矩阵最优化。 [0007]上述偏振光斯托克斯参量的测量装置的优化方法，可采用模拟法，具体过程为:利用光学测量仪器或设备，实际测量所述测量装置的光路中所有分光元件的椭偏参数，得到单个分光元件的矩阵表达式，并计算测量装置的仪器矩阵，对测量装置的仪器矩阵及其行列式进行数值模拟及分析，得到仪器矩阵最大时所对应的波片最佳方位角，实现测量装置仪器矩阵的最优化。该方法中，通过固定两块波片中一块的方位角，采用数值模拟方法，计算仪器矩阵行列式随另一块波片方位角的变化曲线，曲线上最大值所对应的横坐标为另一块波片的最佳方位角。
[0008]上述优化方法中，设入射光的斯托克斯参量为
【权利要求】
1.一种偏振光斯托克斯参量的测量装置，其特征在于包括将入射光分为透射光及反射光的分束器(1)，在透射光路还依次包括用于位相调制的第一波片(2)、实现偏振分光的第一分光器件(4)和分别接收经第一分光器件(4)分光后的两束光的第一光电探测器(6)与第二光电探测器(7);在反射光路上还依次包括用于位相调制的第二波片(3)、实现偏振分光的第二分光器件(5)和分别接收经第二分光器件(5)分光后的两束光的第三光电探测器(8)与第四光电探测器(9);四个所述探测器的光强信号输出端通过数据采集卡与用于对数据进行处理的电子计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种偏振光斯托克斯参量的测量装置，其特征在于所述透射光和反射光为两束偏振态不同的偏振光，透射光垂直入射到第一波片(2)上,反射光垂直入射到第二波片(3)上，第一分光器件(4)、第二分光器件(5)进一步将所述两束偏振态不同的偏振光变成四束偏振光，四束偏振光经四个所述探测器后产生相应的电流信号；所述第一波片(2)、第二波片(3)的方位角可调，调节两块波片的方位角至最佳方位角，能使仪器矩阵最优化，通过定标求解出仪器矩阵后，将待测光所引起的电流信号进行计算求解，实现入射光斯托克斯参量的实时测量。
3.根据权利要求1所述的一种偏振光斯托克斯参量的测量装置，其特征在于第一波片位相延迟量与第二波片的位相延迟量的组合包括:二分之一波片与四分之一波片组合、四分之一波片与二分之一波片组合、二分之一波片与二分之一波片组合、四分之一波片与四分之一波片组合、四分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合或二分之一波片与其不同位相延迟量的波片组合。
4.用于优化权利要求1所述一种偏振光斯托克斯参量的测量装置的方法，其特征在于采用实测法，具体过程为:在测量装置的光路结构确定及各光学元件选定的条件下，通过调节第一波片、第二波片的 方位角实现优化，即通过实际测量不同方位角下测量装置的仪器矩阵的行列式大小，获得矩阵行列式的大小与波片方位角的关系曲线进而确定当仪器矩阵最大时所对应的波片最佳方位角，实现测量装置的仪器矩阵最优化。
5.用于优化权利要求1所述一种偏振光斯托克斯参量的测量装置的方法，其特征在于采用模拟法，具体过程为:利用光学测量仪器或设备，实际测量所述测量装置的光路中所有分光元件的椭偏参数，得到单个分光元件的矩阵表达式，并计算测量装置的仪器矩阵，对测量装置的仪器矩阵及其行列式进行数值模拟及分析，得到仪器矩阵最大时所对应的波片最佳方位角，实现测量装置仪器矩阵的最优化。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于固定两块波片中一块的方位角，采用数值模拟方法，计算仪器矩阵行列式随另一块波片方位角的变化曲线，曲线上最大值所对应的横坐标为另一块波片的最佳方位角。
7.根据权利要求4飞任一项所述方法，其特征在于: 设入射光的斯托克斯参量为Sy S2j &)，令八7?分别表示分束器(I)的透射矩阵和反射矩阵，T1、A为第一分光器件(4)的透射矩阵和反射矩阵，T2、Ri为第二分光器件(5)的透射矩阵和反射矩阵，土为光电探测器的光电转换系数，Μ、Μ.分别为透射光路以及反射光路中第一波片和第二波片的传输矩阵，则四个光电探测器所产生的电流信号分别表不为:
【文档编号】G01J4/00GK103776537SQ201410040695
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】黄佐华, 蔡元静 申请人:华南师范大学