液晶可变相位延迟器相位延迟的精确定标

为了能够利用液晶可变相位延迟器(LCVR,liquid crystal variable retarder)对 光波的相位延迟进行准 确测量,提出一种基于Stokes参量测量光强法和最小二乘法的LCVR对光波相位延迟的精确定 标方法。从理论分析光波经LCVR后影响相位延迟变化的因素,采用基于Stokes参 量测量的光强法分别对波长为405、532、632和641nm入射光相位延迟随电 压的变化进行测 量, 并实验验证归一化后的相位延迟变化只与驱动电压有关;基于最小二乘法对不同波长的 初始相位延迟量进行定标研究,导出不同波长入射光经LCVR后初始相位延迟量定 标方程,用671 nm波长 的激光对定标方程进行了验证,经定标方程求解的671nm波长的初始相位延 迟量与实 际值偏差为 1.4 nm,且任一驱动电压下,相位延迟量的实际测量值与公式定标计算 值最大相对误差为0. 18%。最后,通过与其他定标方法的比较,进一步说明采用本文方法定标的精确性 和可靠 性。     

LSSVM模型下的LCVR相位延迟特性标定方法

为了标定液晶相位可变延迟器(Liquid Crystal Variable Retarder,LCVR)的相位延迟特性,在25℃、405 nm波长下,利用搭建的测量装置采集了141组实验样本,其中71组样本为训练集,70组样本为预测集,利用最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machines,LSSVM)和支持向量机(Support Vector Machines,SVM)算法建立LCVR相位延迟量和驱动电压相关数学模型。实验表明,GASVR、PSOSVR、LSSVM方法下最大波长偏差分别为0.013 6、0.013 7和0.004 5,均方误差提高两倍,通过比较,说明该模型能快速准确地预测LCVR工作范围内全部波长、全部电压值下的相位延迟。该方法可作为LCVR相位延迟特性标定的有效手段。     

基于单偏振器的液晶相位延迟器光电特性

液晶相位延迟器(LCVR)是一种新型偏振器件,精确标定其光电特性是实现基于该器件的精密光学偏振测量的关键环节.通过建立探测光强与相位延迟值和器件方位角的数学模型,提出了一种基于单偏振器的测量新方法,可快速计算出不同电压作用下的LCVR本征轴方位角和相位延迟值.该方法具有测试结构简单、相位延迟测量过程无需机械旋转、全谱测量速度快的优点.此外,该测量结构便于集成在其它偏振测量结构中,实现LCVR的在线、实时标定.实验结果表明基于上述方法的测试系统,LCVR的相位延迟测量重复性优于5‰,本征轴方位角的测量分辨率优于0.1°.     

空间用液晶可变相位延迟器相位延迟测试系统的电子学设计

液晶可变相位延迟器（LCVR）由于其调制速度快、重量轻、无运动部件等特点成为空间光学仪器中新的研究热点。然而,LCVR中的液晶属于高分子材料,其空间适应性有待考核验证。由于地面环境模拟试验无法同时还原太空中的所有参数,因此亟需研制一台符合卫星搭载要求的LCVR空间特性试验仪,来研究液晶器件在真实星载环境下的电光性能（相位延迟-电压曲线稳定性）。本文分析了LCVR延迟测试系统的稳定性,并给出LCVR相位延迟-电压曲线的电子学测量方案。首先使用“零点”标定法设计了高稳定度的LCVR驱动;然后使用变频误差控制法,实现了LCVR的高精度恒温控制。其中LCVR驱动稳定度达到99.3%,LCVR恒温精度最高达到（35±0.1）℃。在此基础上,对整机进行了力、热和电磁兼容试验,结果表明待测LCVR和电子学系统功能稳定,成功完成了LCVR这一首飞器件的空间光电测试系统在我国的首次研制,对液晶的空间化应用有着重要意义。     

自校准法测量波片相位延迟

在旋转补偿器椭偏仪(RCE)的基础上,提出了一种自校准的波片相位延迟测量方法。该方法将补偿器的相位延迟作为未知参数,根据Mueller矩阵理论建立了4个非线性方程,求解得到待测波片的相位延迟;实现了补偿器相位延迟的自校准,消除了其定标不准确带来的系统误差,尤其适用于多个波长的波片延迟测量。在此基础上建立了一套波片延迟测量系统,并分析和模拟了各种主要的误差源对系统测量精度的影响。结果表明,对于任意延迟的波片,测量系统最大的系统误差和随机误差分别为0.036°和0.040°。此外,使用该方法分别测量了λ/4波片、λ/2波片、127°波片和空气(不放入任何样品)在波长517.3、525.0、532.4nm处的相位延迟以评估测量系统的性能,其中空气的相位延迟代表测量系统的测量精度,与模拟结果基本一致。     

液晶可变延迟器的双折射色散研究

为了实现液晶可变延迟器(LCVR)对不同波长入射光相位延迟的精确控制,发挥其在光信息和光学测量领域的应用优势,对其双折射色散特性进行了研究分析。根据折射率椭球理论分析了LCVR对入射光的双折射色散满足柯西色散关系;分别测量了LCVR对532、635、670 nm激光在不同驱动电压值下的延迟量;讨论和分析上述测量结果,求解出LCVR满足的柯西色散经验公式的系数,利用归一化的方式确立了色散定标方法,并用650 nm激光进行了实验验证。实验结果表明,LCVR对不同波长的入射光存在双折射色散;650 nm激光延迟量的实测值与双折射色散定标值偏差不大于0.007λ,定标方法准确可行。     

具有相位补偿的级联调制型相位延迟量精确检测方法

相位延迟量是偏振光学元件的一个重要指标，为了精准快速地测量偏振元件的相位延迟量，提出一种具有相位补偿的级联调制的偏振元件相位延迟量检测方法。该方法采用弹光调制器（PEM）和电光调制器（EOM）作为相位延迟量检测系统的级联调制元件，利用Soleil-Barbinet相位补偿器对样品进行光学补偿。基于数字锁相技术与现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的片上可编程系统，检测光强极值点对应的Soleil-Barbinet相位补偿器的相位参数并进行数据处理，实现样品的相位延迟量检测。实验表明，利用该方法测量样品的相位延迟量的最大相对误差为0.857%，测量精度为99.143%，验证了将偏振调制法和补偿法相结合测量相位延迟量具有较高的精度，且降低了补偿器本身对测量误差的影响。     

偏振遥感器镜头相位延迟特性分析

偏振遥感器的偏振探测精度受仪器自身的偏振特性影响。其中偏振遥感器镜头的相位延迟是其自身偏振特性的重要组成部分。分析了偏振遥感器镜头相位延迟对偏振遥感测量的影响。说明了镜头的相位延迟可以由各镀膜界面相位延迟累加得到,且主要由光学薄膜引入了镜头相位延迟。随后利用薄膜理论推导出了单透镜界面相位延迟的解析解。采用该解析式对可见及近红外、红外、超宽带三类减反射膜系的实际应用样例进行研究,结果表明:单界面常规宽带减反射膜系的相位延迟随着波长增加而单调递减。因而,对于宽波段偏振遥感器镜头,无法利用各光学界面间的补偿来获得总的低相位延迟。     

基于双环混合偏振矢量光束实现光学囚笼实时操纵的理论研究

理论上提出了一种通过调节双环混合偏振矢量光束的偏振态来实现光学囚笼实时操纵的新方法。双环混合偏振矢量光束是由双环径向光束通过一个波片后形成的,光束偏振将变为包含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的混合状态,且偏振态强烈依赖于空间位置和相位延迟角度。利用衍射积分公式数值模拟了双环混合偏振矢量光束经过强聚焦系统后在焦点附近的强度分布。数值结果显示当相位延迟角度为0时能形成光学囚笼,当相位延迟角度不为0时能控制光学囚笼打开的程度。将液晶可调相位延迟器(LCVR)作为可调波片,LCVR可以由外部电压实时控制使其相位延迟角度能在0～π之间连续取值,这样就可以通过调节LCVR的外接电压实现焦平面光学囚笼的实时开和关。     

光相位延迟器延迟量的智能化测量

从琼斯矩阵理论出发，利用偏振镜、分束器和锁相放大器以及微处理器，搭建了测试系统，实现了数据的自动化处理。利用闭环反馈控制系统和高精度步进马达，对旋转角度进行了反馈控制，利用Si光电探测器，使用范围覆盖近紫外到近红外，创建的测量系统具有测量精度高，重复性好，自动化程度高，操作简单的特点。经过对菲涅耳菱体型相位延迟器件的测试，测量误差小于0．3％。该系统也可以用来测量其他类型器件的相位延迟，在偏光测试领域有着广泛的应用。     

Phase-shift imaging ellipsometer for measuring thin-film thickness

A phase-shift imaging ellipsometer (PSIE) is developed for two-dimensional ellipsometric measurement. In the optical setup of the PSIE, a liquid crystal variable retarder (LCVR) is employed as an optical phase modulator for inducing a phase difference between the p- and s-polarized components of the incident light. The phase retardation adjustments of an LCVR are highly correlated with measurement accuracy in the PSIE. Since the phase retardation is dependent upon the applied voltage of the modulation signal, a calibration procedure is proposed in order to accurately determine an appropriate voltage magnitude, which in turn allows the LCVR to induce exact phase retardations. Consequently, the spatial distribution of the ellipsometric parameters can be measured with respect to the phase-shifted intensity images. Thus, the PSIE is capable of two-dimensional measurement of the physical properties of a thin-film material. We provide an experimental demonstration, which entails measuring the thickness distribution of a SiO₂ thin film on a Si substrate. These experimental results were in strong agreement with previously reported values.     

液晶可变延迟器研制及其电控相位延迟测量

为了获取线性易控的可变延迟器,研制了基于SLC-7607A平行向列相液晶的可变延迟器。简要阐述了液晶可变延迟器工作原理和研制工艺过程,采用基于Stokes参量的可变延迟器的相位延迟测量新方法,在入射光波长为632.8nm时,测出了可变延迟器的相位延迟与控制电压关系特征曲线,测量结果具有很好的重复性。结果表明,电压在1V～2.7V区间,可变延迟器具有线性易控的特点,并拟合出它们的线性关系式。该实验结果对液晶可变延迟器的研制、测量和使用都具有一定的参考价值。     

基于嵌入式技术的激光偏振度测量系统

为提升激光偏振度测量的精度与时效性,设计基于嵌入式技术的激光偏振度测量系统,其包括探测、控制器与上位机3部分,通过探测部分接收激光器发射的激光并通过两个液晶可变相位延迟器(LCVR),抵达偏振分光棱镜后分为两束偏振光,采用探测器探测两束光的光强传输到控制器部分;由控制器部分的嵌入式信号处理模块对所接收光强实施处理与转换后,传给AVR单片机,AVR单片机一边将转换后数字信号经串口送至上位机,由上位机内嵌入式软件和计算机操控软件运算出激光偏振度等参数并呈现运算结果,另一边经D/A产生可控制LCVR液晶相位延迟量的方波信号,继续测量其余待测激光偏振度。结果表明,该系统具有较高的测量精度,测量结果稳定性高,可实现对信号的同步实时传输,传输性能稳定,可有效促进系统的测量时效性。     

液晶光谱偏振系统选偏器方位误差研究

为了分析液晶光谱偏振系统的方位误差并降低测量误差,提出了选偏器方位误差的分析方法。该方法基于Stokes矢量及Mueller矩阵,将偏振角的方位误差转化为Stokes矢量传递误差,推导了误差的协方差矩阵,分析了权重系数与延迟相位的变化关系,并对不同偏振态入射光条件下的品质因数变化进行了计算仿真。方位误差依赖于入射光Stokes参数与延迟相位,不同偏振态的入射光品质因数随延迟相位成抛物线变化。当延迟相位位于[60°,120°]区间内,选偏器的方位误差较小,测量误差较小适宜测量。通过对液晶偏振光谱系统配准误差的研究,获得误差来源,为进一步提高系统测量精度奠定了理论基础。     

波片相位延迟测量的简捷方法研究

通过引入波片通用琼斯矩阵公式,推导出基于补偿法原理的波片相位延迟测量分析模型,提出一种新的波片相位测量方法,测量时无需知道波片的光轴方位,可以测量多种波片。测量装置采用了步进电机带动被测波片转动,使用光栅编码器测量检偏器的预置角度,运用光功率计实现光强的采集。测量周期短,是一种迅速方便快捷的方法。     

电控矢量涡旋光的偏振测试研究

为了研究电控相位延迟对矢量涡旋光偏振态的影响规律, 采用半波液晶可变延迟器和液晶q波片搭建了电控矢量涡旋光的全斯托克斯偏振测试实验装置, 进行了电控矢量涡旋光的斯托克斯参量传输特性的Muller矩阵分析和实验验证。通过对输入偏振光进行连续相位调控, 获得了其通过调谐q波片后的输出光束偏振态演变规律。结果表明, 电控相位延迟会改变角向和径向偏振光的局域偏振椭偏度, 且随电压变化呈线性关系, 同时偏振态演变会影响矢量涡旋光的输出光强。此研究对于探索电控矢量涡旋光的偏振转换有着重要的意义。     

基于超消色差1/4波片和AOTF的高光谱全偏振成像技术

针对环境温度、电压、入射角等因素变化对基于声光可调谐滤波器（Acousto-optic tunable filter，AOTF）和液晶可变延迟器（Liquid crystal variable retarder，LCVR）的光谱偏振成像测量精度影响大，且整个系统实现复杂等缺点；考虑到超消色差波片对温度和波长依赖小，结合AOTF高光谱成像的优点，提出了基于超消色差1/4波片和AOTF的高光谱全偏振成像新方法。详细分析了该方法的工作原理，并结合可购买到的最好超消色差1/4波片中相位延迟和快轴随波长的微小波动，进而分析了该波动对偏振测量的影响，并针对这些影响研究了修正策略。搭建了原理样机，对450~950 nm波段进行了偏振测量，修正后偏振度测量误差 1%，对偏振方向的测量偏差 1.8，以633 nm为例，对其全Stokes参量图像进行了具体原理及修正测量验证实验，结果表明，该新技术原理正确，修正策略可行。该研究可为复杂条件下高精度、高光谱全偏振成像技术提供新的理论和实现方案。     

基于强度调制的编码孔径光谱偏振测量方法

为实现在单次成像条件下获取图像的光谱偏振信息,提出了一种基于强度调制的编码孔径测量方法。该方法采用消色差1/4波片、多级相位延迟器和检偏器组成的光谱偏振强度调制模块,将入射光的Stokes参量各元素谱调制到不同的频率上,利用编码孔径和色散棱镜组成的光谱成像系统对该调制光谱进行压缩编码,并通过CCD进行探测。利用TwIST算法重构出经调制的光谱信息,对各个频谱通道进行分离重构出Stokes元素谱。以单一像素点为例,对入射光强度调制、光谱重构及Stokes参量的解调进行了数值模拟。结果表明:该方法可实现对稀疏图像的光谱偏振信息的获取,该过程仅需对图像进行一次测量,因此具备高速获取能力。