分振幅光偏振测量仪

　　1　引　言

　　光波的偏振态是丰富的信息来源,辐射光、反射光、透射光和散射光的偏振态承载着大量的宝贵信息,对它们的测量具有十分重要的意义。偏振测量术和椭偏测量术已经广泛地应用在物理、化学、光学、电子、金属、生物和医学等领域。测量光偏振的方法也在不断发展。常用的测量方法是使待测光通过一系列随时间周期性调制(机械转动或相位延迟)的光学元件,由光电探测器测量透射光的光强,对探测器输出电信号作傅里叶分析,得出描述待测光波偏振态的Stokes参数。旋转检偏器椭偏仪(RAE)和偏振调制椭偏仪(PME)[1]就利用上述原理。

　　但是,当待测的光偏振态变化非常快时(如研究样品表面发生快速变化的物理化学反应),由于转动元件或调制器的存在影响了偏振态的测量速度,上述测量方法就无法满足需求。新型偏振测量仪器的出现满足了快速测量光偏振的需求。目前已有两种类型的多信号通道快速测量光波偏振的方法:一种是利用分波前方式,另一种是利用分振幅方式。1982年,Azzam设计了第一台利用振幅分割方式测量光偏振的仪器[2]。分振幅光偏振测量仪(DOAP)没有转动部件和调制器,能够同时近似实时地测量光波所有4个Stokes参数。

　　20多年来,分振幅光偏振测量仪有了很大的发展。研究人员先后设计了10多种采用振幅分割原理测量光偏振的装置,部分装置已经应用于脉冲加热测量材料热物性[3,4]和在线测控金属薄膜生长厚度[5]等领域。国外的一些厂商也已经推出多款商品化的DOAP。在我国目前尚未见到有关DOAP应用研究的报道。

　　本文将介绍DOAP的工作原理、研究现状和发展方向。

　　2　DOAP的测量原理

　　2.1　理论基础

　　2.1.1　光波Stokes表示

　　Stokes参数是常用的描述光波偏振态的数学方式。它不仅可以描述完全偏振光,也可以用来描述部分偏振光和非偏振光。以S0、S1、S2和S3表示的光波Stokes参数定义如下(假设光束沿着笛卡儿坐标系xyz的正z轴传播):

　　S0给出光波的总光强;S1给出光波x方向线偏振分量与y方向线偏振分量的光强差;S2给出光波π/4方向线偏振分量与-π/4方向线偏振分量的光强差;S3表示光波右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量的光强差。习惯上,将4个Stokes参数组合成一个4×1阶列矢量

T表示矩阵的转置。此矢量称为光波的Stokes矢量。

　　2.1.2　光学系统的Mueller矩阵

　　当用Stokes矢量研究光波通过光学系统后的偏振态时,系统的性质可用一个称为Mueller矩阵的4×4矩阵表示。射出光波的Stokes矢量Sout等于光学系统的Mueller矩阵M乘以入射光波的Stokes矢量Si,即