偏振光斯托克斯参量测量原理与测量方法设计

斯托克斯参量是描述偏振光特性的重要参最,它能给出偏振光的偏振度(DOP)的数值,因此偏振分析仪多采用测昔斯托克斯参量的方法米设计.从斯托克斯参量的定义出发,利用准单色光波的相干矩阵法,推导了斯托克斯参量的测量原理,并提供了多种实验测昔斯托克斯参量的设汁方法.对比分析了了种测量斯托克斯参量的方法,并用相干矩阵方法证明了用测量光功率表达的偏振度的正确表达式.     

斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的条件数评价研究

斯托克斯椭偏仪一般使用定标的方法来测量其仪器矩阵,其仪器矩阵的优劣直接影响了被测光线斯托克斯参量的精确度与稳定度,从而影响了被测薄膜的厚度、折射率及消光系数等光学参数的精确度与稳定度。文章以椭偏参数总偏差为评价函数,分析了条件数大小与斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的优劣关系,并从实验上证明了条件数较大时,仪器矩阵较差,测量结果偏差大;条件数较小时,仪器矩阵较优,测量结果较佳。     

基于线偏振片和液晶可调滤光片的斯托克斯参量测量系统

为了快速获得无抖动偏振图像,本文提出了一种实时测量斯托克斯参量的新方法,即在固定不动的液晶可调滤光片（LCTF）前加一块可旋转的偏振片,使入射光依次经过线偏振片和LCTF到达CCD,然后通过计算接收到的光强得出斯托克斯参量,确定光束的偏振态,得到偏振图像。通过计算发现,当LCTF透光轴与系统X轴的夹角为π／8,偏振片透光轴与系统X轴夹角分别为0、π／4、π／2和3π／4时,偏振参数的获得就比较简单。偏振片的旋转代替了LCTF的旋转,测量的偏振图像无抖动,偏振度和偏振角图像精确。该系统可以获得较高的帧频,在目标识别和反伪装领域具有重要的应用价值。     

基于光纤光栅斯托克斯参量的压力传感测量研究

利用光纤光栅的偏振特性感知外界参量变化是光纤光栅传感的新研究热点。提出利用光纤光栅第一斯托克斯参量s1感知外界压力的新方法。推导了光纤光栅压力所致线双折射和s1参量的关系,建立了压力、线双折射和s1参量三者之间的关系模型,分析了线偏振光入射角度对s1参量的影响。仿真表明,偏振光入射角度影响s1曲线的基准值,同时也影响左右波长测量点的对称性和线性度。利用光纤光栅和高速在线检偏器搭建了实时压力测量系统,测量了不同偏振光入射角度下s1参量受压力所致线双折射的影响曲线,验证了理论仿真结果。     

新型三角形光栅斯托克斯参量磁场测量法

分析了均匀光栅反射光的第三归一化斯托克参量(S3)用于磁场测量的限制,提出了利用三角形光栅反射光的S3参量进行磁场测量的方法.并通过仿真,分析了三角形光栅反射光S3参量的性能曲线及其性能影响因素.     

斯托克斯光偏振态测量系统的优化

为了满足光偏振态分振幅测量模块（DOAP）对分光棱镜复杂且严格的加工要求,采用在经典DOAP透射光路及反射光路各引入一块波片的方法,组成改进后的光偏振态测量模块。推导了新的仪器矩阵表达式,通过分析波片参量对仪器矩阵条件数的影响,得到了最佳波片的参量及其关系。结果表明,优化后的斯托克斯椭偏仪测量薄膜样品的厚度和折射率的标准差分别为0.1nm和0.001。通过选择波片的最佳方位角或相位延迟量可以实现斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的优化,从而提高系统的测量稳定性及可靠性。     

基于虚拟仪器的斯托克斯参量测试系统

采用旋转波片法搭建了一套偏振态斯托克斯参量自动检测系统,每秒可以处理和显示15个偏振椭圆。该系统采用数据采集卡和LabVIEW软件来组成虚拟仪器,通过数据插值与重采样技术对旋转角度进行精确定位,消除了电机转速不稳定带来的系统误差。根据米勒矩阵得出透射光强随旋转角度的变化方程,并与实时采集的测量数据进行对比拟合,通过傅里叶变换得出曲线方程中的待定系数,给出对应的斯托克斯参量,并计算光波的电场分量及相位差,确定出射光的椭圆偏振消光比、长轴方向与椭圆旋向。还考查了本底噪声对测量结果的影响,比较了旋转波片与旋转检偏器两种测试方法的优缺点。     

斯托克斯参量测量中探测系统的误差校准

本文就Stokes参量测量中探测系统的误差成因进步了分析,给出了一种校准检偏——探测系统的方法。     

2维光束全偏振参量测量技术研究

为了准确测量目标的全偏振参量,采用数值模拟计算系统测量矩阵的范数条件数的方法,对系统微小扰动引起的全偏振态参量的测量影响进行了理论分析和实验验证。结果表明,当/4波片快轴方向为特定组合角度(13,50,128,164)时,测量系统最优化和效率化。     

低双折射均匀光纤布拉格光栅斯托克斯参量的研究

根据耦合模理论和琼斯矩阵与斯托克斯矢量的关系给出单模均匀光纤布拉格光栅(FBG)反射和透射斯托克斯参量公式,数值模拟出低双折射单模光纤均匀FBG在不同双折射值下反射和透射斯托克斯参量随波长变化的曲线。结果显示4个归一化斯托克斯参量中,s1关于中心波长λ0呈反对称分布,S0,s2和s3关于λ0呈对称分布;双折射值增大谱线不产生漂移,但谱线反射带宽变窄,反射信号与透射信号斯托克斯参量振幅均有不同程度的变化,表明双折射值对斯托克斯参量的影响非常显著。测出单模光纤均匀FBG反射和透射斯托克斯参量随波长变化曲线,理论分析与实验结果基本符合。     

偏光干涉法测量液晶的双折射率

为了测量液晶双折射率,从偏光干涉的理论公式入手,通过一定的近似,采用偏光干涉法测量液晶双折射率,进行了理论分析和实验验证,获得了较为理想的数据。结果表明,在采用偏光干涉法测量液晶材料的双折射率时,避免了对透射光谱的绝对光强进行测量,使得测量结果具有较高的精度。这一结果对液晶器件的设计、制作和使用是有帮助的。     

椭圆偏振光与部分偏振光检验的理论分析

为了检测部分偏振光与椭圆偏振光,从复合波片的理论出发,借助于数学工具,对检测方法做了较为详尽的理论分析.结果表明,只要λ/4波片的快(慢)轴与椭圆偏振光的长(短)轴方位一致,则任何椭圆偏振光经过λ/4波片后均可以补偿为线偏振光,而部分偏振光经过λ/4波片后仍为部分偏振光.并搭建了实验光路,测试结果与理论分析完全吻合.     

冰洲石晶体紫外波段偏光吸收系数的测试研究

为了研究冰洲石晶体在紫外波段的偏光吸收特性,制作了长、宽不相等的测试样品。利用双光路分光光度计,在测试与参考光路同时加入偏振方向相互平行的起偏棱镜,分别测量同一晶体不同长度的偏振透射光谱。通过消除光在晶体表面反射损失的影响,得到两只测试样品在紫外波段对o光、e光的吸收系数。在紫外波段同一冰洲石晶体中e光吸收系数小于o光,且波长越短差别越大;不同冰洲石晶体个体在紫外波段的吸收系数存在较大差异。结果表明,先对冰洲石晶体进行紫外偏振光谱测试,选出吸收系数小的晶体,是制作高性能紫外偏光棱镜的关键。     

合成孔径雷达多视图像中4个Stokes参数的统计特性

该文应用散射振幅函数的Wishart联合分布,推导了合成孔径雷达(SAR)多视图像中4个Stokes参数的概率密度函数(PDF)。用视图数和4个Stokes参数的均值解析表达的PDF与现有的R.Touzi和A.Lopes(1996)的结果作了比较。同时,用机载SAR在几个典型区域上的多波段(P,L,C)成像数据验证了4个Stokes参数的理论统计分布,讨论了有效视图数、方差和分布斜度。实验数据与理论分布有相当好的吻合,还讨论了PDF在地表分类中的应用。     

Super-resolution longitudinally polarized light needle achieved by tightly focusing radially polarized beams

Based on the vector diffraction theory, a super-resolution longitudinally polarized optical needle with ultra-long depth of focus (DOF) is generated by tightly focusing a radially polarized beam that is modulated by a self-designed ternary hybrid (phase/amplitude) filter (THF). Both the phase and the amplitude patterns of THF are judiciously optimized by the versatile particle swarm optimization (PSO) searching algorithm. For the focusing configuration with a combination of a high numerical aperture (NA) and the optimized sine-shaped THFs, an optical needle with the full width at half maximum (FWHM) of 0.414λ and the DOF of 7.58λ is accessed, which corresponds to an aspect ratio of 18.3. The demonstrated longitudinally polarized super-resolution light needle with high aspect ratio opens up broad applications in high-density optical data storage, nano-photolithography, super-resolution imaging and high-efficiency particle trapping. This work has been supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos.61575139, 61605136, 51602213 and 11604236), and the Youth Foundation of the Taiyuan University of Technology (No.2015QN066). This paper was recommended by the 9th International Conference on Information Optics and Photonics (CIOP 2017). E-mail:niezhongquan@tyut.edu.cn      

方位角偏振光聚焦光斑的研究

对方位偏振平面波、高斯光束、贝塞尔-高斯光束和双环拉盖尔-高斯光束的聚焦特性进行了理论计算,分析了物镜数值孔径和截断因子对焦平面上光强分布、中心暗斑半径的影响,以及加入中心遮拦光阑对焦深和中心暗斑半径的影响。研究发现,4种模式光束形成的聚焦场中心暗斑半径随着数值孔径的增大,单调减小,其大小与数值孔径成反比,与波长成正比;截断因子的改变仅影响高斯光束和贝塞尔-高斯光束中心暗斑半径的大小,对其旁瓣强度的影响较小,但会使得双环拉盖尔-高斯光束焦场光强重新分配,能够形成等光强的双亮环结构;加入中心光阑能够减小焦平面上中心暗斑半径并增大焦深。     

红外圆偏振光透雾性能分析

雾对红外系统的探测性能有一定影响,圆偏振光在雾中传输时具有优良的保偏性和持久性,为解决雾的红外遮蔽问题提供了新思路。分析雾对红外光波的衰减是由吸收和散射共同作用;阐述了圆偏振光透雾是由圆偏振光波螺旋性的随机化速率缓慢和圆偏振光子在传播方向的随机化速率缓慢共同作用,致使圆偏振光受雾滴的光散射影响较小;结合圆偏振透雾机理和大气光谱特征,探究雾中目标检测的优化波段,研究表明:在近红外波段的0.78~1.1 m、1.48~1.56 m、1.63~1.86 m、2.03~2.18 m、2.39~2.5 m和中红外波段的3.6~4.15 m,适宜采用圆偏振成像技术提高红外系统透雾性能,长红外波段,雾滴的光吸收占总消光的比例增大,已不宜采用圆偏振成像技术来提高红外系统的透雾性能。最后,分析了红外圆偏振透雾技术的特点,并对深入研究提出了建议。     

基于主动式圆偏振光照射的探测建模与分析

圆偏振光有良好的“偏振记忆”效应,为了验证在 强散射介质中通过圆偏振光的旋性 差异可以有效抑制散射光的影响,实现复杂背景下的目标探测功能。从经典的米氏散射 理论和菲涅尔反射理论出发,结合偏振蒙特卡罗方法,构建了主动式圆偏振光在散射介质中 探测目标的模型,通过追踪每个光子的偏振态变化,统计分析了圆偏振光经过介质散射和目 标反射后的Stokes矢量信息。仿真结果表明,文中建模方法可以明显区分出散射介质中是否 存在被探测目标;不同的介质环境和不同的探测距离都会对目标的偏振成像造成不同程度的 衰减,而圆偏振差分成像及圆偏振度成像均可实现偏振成像的增强处理。文中建模方法可以 为全偏振探测的理论研究及实际应用提供借鉴。     

激光参数的测量

本文综述了激术参数的测量方法,并重点介绍一些近年来发展起来的新的测试方法和技术。