晶体双折射退偏器的光波叠加分析方法与优化设计

【摘要】退偏器是将偏振光转化为非偏振光的一种偏光器件。随着偏光技术和激光应用的发展，退偏器被越来越广泛地应用于天文仪器、激光加工、激光医学、光纤通信等各种光学探测和通信系统，因此退偏器性能及优化设计的研究具有重要的现实意义。本文研究的对象是双折射晶体材料的退偏器，即晶体双折射退偏器。该类型的退偏器不能真正把偏振光转化为非偏振光，只是使透射光的偏振态按一定规律做周期性分布，只要周期足够小，其总的平均效果即表现为退偏。因此该类型退偏器属于伪退偏器。晶体双折射退偏器利用晶体的双折射性质可以实现偏振光在空域和频域的退偏，其中，最早的退偏器——Lyot型退偏器便属于频域退偏，而本文研究的其它退偏器均属于空域退偏。频域退偏基于复色光透过退偏器后产生随频率连续变化的相位差，而不同相位差又对应不同偏振态，这些不同偏振态的叠加效果即表现为退偏；空域退偏则一般靠一个或多个晶体楔面（简称晶楔）的组合，产生随空间连续变化的相位差来实现退偏。尽管有所不同，但其退偏原理均可表述为相位差变化造成的不同偏振态的光的叠加。退偏器性能的分析长期以来采用矩阵方法，包括Mueller矩阵、相干矩阵。尽管这两种方法的科学性、合理性毋庸置疑，却也有自身难以避免的缺点：过程比较复杂，物理意义比较抽象。为克服这些缺点，本文直接从光的波动本性出发，根据退偏原理，提出光波叠加分析方法。该方法避免了矩阵方法中过多元素带来的繁琐运算，并可充分沿用椭圆偏振光的分析公式或结论，加上对相位的合理、灵活处理，大大简化了数学过程；分析过程的每一步都与退偏的光学过程直接相关，物理意义非常清晰，因此可以揭示矩阵方法难以涉及的退偏机制。本文的研究工作主要包括以下三个方面：1、利用光波叠加方法分析四种已有形式的退偏器：Lyot改进型退偏器、Lyot型退偏器、HV退偏器、双巴比涅退偏器，并与传统矩阵方法进行对比。2、利用光波叠加方法分析四种新设计的退偏器：晶体光轴扇形分布退偏器、正反应用不同特性退偏器、四元优化设计退偏器、Lyot单色光退偏器。其中，后两种属于优化设计形式：四元优化设计退偏器是在光波叠加分析结论基础上，结合双巴比涅退偏器、晶体光轴扇形分布退偏器、正反应用不同特性退偏器等四元结构退偏器的优点而实现完美退偏；而Lyot单色光退偏器是根据光波叠加方法对Lyot型退偏器分析结果，进一步推理得到的一种可以实现对单色线偏振光退偏的退偏器，性能大大优于单个1/4波片形式的单色光退偏器。3、制作石英晶体材料的样品，并建立退偏度测试需要的实验系统，对样品性能进行测试。主要测试样品对线偏振光的退偏度，包括偏振度随方位角、入射角的变化情况。除此之外，在探索的基础阶段，做了大量相关的实验工作，如研究退偏器的透射光点分布规律，圆形光阑孔径大小对退偏度的影响，楔角对退偏度的影响，激光波长对退偏度的影响，不同平面内退偏度随入射角的变化规律，光屏上叠加条纹可见度随方位角及光屏位置的变化规律，等。本文的主要创新点有：1、提出了退偏器的光波叠加分析的思想和方法。2、对已有形式的退偏器分析中得到有意义的新结论，如首次推导得到Lyot改进型退偏器和HV退偏器对单色线偏振光的退偏度表达式，统一了不同文献所给的Lyot型退偏器的理想退偏条件，等。3、设计并分析了四种新型退偏器，其中四元优化设计退偏器、Lyot单色光退偏器具有各自优越性，完全可以得到推广应用。4、实验研究了退偏度随晶楔楔角的变化规律，提出了退偏度对楔角的“饱和性”概念，为退偏器的设计、加工提供了重要依据；提出了受楔角及光屏位置影响的退偏度的“边缘效应”。5、根据光波叠加分析的结论，总结了晶体双折射退偏器的理想退偏条件，将成为该类型退偏器设计、分析的基本理论。6、研究了退偏度随入射角的实验规律，提出通过微调入射角改善退偏度的方法。
【作者】任树锋；
【导师】吴福全；
【作者基本信息】曲阜师范大学，光学，2014，博士
【关键词】晶体双折射退偏器；光波叠加；Mueller矩阵；相干矩阵；退偏度；相位差；方位角；入射角；

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