波片相位延迟量的智能化测量技术再研究

论文摘要

在偏振光学和晶体光学领域中，波片是光学调制系统中的重要器件，它能对某一特定波长的入射偏振光产生确定的相位变化，从而改变光的偏振态。事实上，几乎所有应用偏光技术的地方都离不开光相位延迟器。由于其特殊的性质，被广泛应用于光弹力学、生物医学、光学精密测量等领域中。随着光学精密仪器、激光和偏光技术的发展，对波片精度要求愈来愈高，这要求波片的检测装置不但应具有较高的测量分辨率，更需要具有高的测量复现性。波片的相位延迟量是波片非常重要的性质之一，与波片的质量密切相关，将会直接或间接的影响到光学精密仪器的质量、激光的偏振状态、光通讯效果，并且波片的相位延迟量又与波片的厚度、应力双折射、环境温度等诸多因素有关，因而通过测量波片的相位延迟量来评价波片的质量是十分有价值的。资料检索显示，当前许多高精度波片测量方法的共性，都是要求待测波片光轴满足一定的角度条件，这给波片的实际使用和测量带来了一定的难度。同时，在波片测量过程中，大多仪器仅是停留在实验室仪器状态，实际测量中主要以手工操作为主，操作困难复杂，测量有时也仅限于某一种波片，测试周期较长，复现性不高，不适合批量检测。因此，有必要研究具有自动、方便、快捷等特点的波片精确测量系统。为改变这种状况，本论文在认真分析前人研究成果的基础上，研究了波片相位延迟量精确测量的实现方法，建立了波片相位延迟量自动测量系统。全文共分五章：第一章绪论主要介绍了波片相位延迟量测量的发展历史和研究现状，阐述了论文研究的内容、目的和意义。第二章主要介绍了波片测量的基础知识。首先对偏振和偏振光知识作了大体介绍，并描述了偏振光的四种数学表示方法。然后详细介绍了波片的基础知识，分别介绍了单元型波片和复合波片的一些主要性质。最后介绍了与晶体双折射相关的马吕斯定律及偏振光的干涉。第三章主要介绍了几种典型的光相位延迟测量方案，包括：改进型的偏光干涉测量法、四步相移法、单四分之一波片法(Senamont Method)、双四分之一波片法(Tardy Method)。详细分析了所有这些方案的原理、误差来源及特点。第四章主要介绍了新设计的集光、机、电、算为一体的光相位信息智能化测量系统。首先介绍了此测量系统的测量原理并绘出了测量系统原理图，之后详细描述了此测量系统中光路的调整方法和各部件的选择，并叙述了设计的系统软件主菜单中各项的功能，说明了测量时程序的流程。第五章主要利用新系统进行了实验测试研究，给出了测试结果和误差分析。利用新搭建的光相位信息智能化测量系统，分别测量了1／4波片和1／2波片，列出了测量的数据结果，并对数据进行了相应的分析和处理。定性分析了测量系统的误差来源以及减小误差的方法。系统的误差主要来源于光源输出功率的飘移、各偏振元器件方位角的设置误差、偏光器件消光比的影响及杂散背景光的影响等，另外，测量时温度的浮动、气流的波动、振动以及人为因素等都将引入误差。实验结果表明本系统在测量位相延迟时的误差不超过0.5％。本论文的主要创新点是：研究分析并提出本文波片精确测量所用的原理和方法，该方法不但有效避免了测试前需准确判定待测波片光轴方位的条件而且测量精度高，具有一般性，可测量多种波片；根据实验室现有条件，编制相应的波片测量软件程序，设计与建立了光、机、电、算相结合的自动化测量系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第二章 波片测量的基础知识
• §2.1 偏振和偏振光概述
• §2.1.1 光波的五种偏振态
• §2.2 偏振光的数学表示
• §2.2.1 电矢分量方法
• §2.2.2 Poincare球作图法
• §2.2.3 Stokes矢量表示法
• §2.2.4 Jones矢量表示法
• §2.3 波片的基础知识
• §2.3.1 单元相位延迟片
• §2.3.2 复合波片
• §2.4 起偏器和检偏器 马吕斯定律
• §2.5 偏振光的干涉
• 第三章 几种典型的光相位延迟测量方案
• §3.1 改进型的偏光干涉测量法
• §3.2 四步移相法
• §3.3 单四分之一波片法
• §3.4 双四分之一波片法
• 第四章 光相位信息智能化测量系统设计
• §4.1 基本测量原理
• §4.2 测试系统整体设计
• §4.2.1 测量系统元器件的选择
• §4.2.2 测量系统调整
• §4.2.3 系统软件设计
• 第五章 波片的测试与误差分析
• §5.1 波片的测试与数据分析
• §5.2 误差分析
• 参考文献
• 在校期间发表的学术论文
• 致谢