激光偏振态测量技术研究

摘要激光偏振态测量系统具有一定的科研和市场价值，它除了可以用于分析光束偏振态信息以外，还可用于光源相干特性的分析和部分情况下的偏振态传输规律的研究。本文首先介绍了光束偏振态描述的几种方法——琼斯矢量、斯托克斯参量和邦加球，并比较了这几种方法的优缺点，并对邦加球法和斯托克斯法作出了说明与研究。在本文的最后设计部分中，还对偏振片、波片的工作原理进行简单的讨论，对偏振参数的检验和鉴别方法进行了详细的介绍，并对椭圆偏振光的检验方法进行了描述。关键词：偏振态测量偏振光邦加球斯托克斯ABSTRACTItalsointroducesabeampolarizationstatedescribedintheMethods：Polarizationmeasurement，Polarized，Programme，Stokes，Andcomparisonofthesemethodsarediscussed.ThispapermainlydiscussedtheGbarngaballandStokes.Simultaneitily,ithasmadearesearchonsuesforthecharactersoflightsourceforsurvey.Inordertomeettherequestfordetecting,aperipheralelectrocircuitisdesigned.Intheprogramwecompilethematrixoperationwiththeaimatimprovingthespeedofanalysisprogramme.Inthispaperthedesignofthefinalpart,itisalsorightpolarizers,waveplatefortheworkingprincipleofasimplediscussion,Polarizationparametersfortestingandidentificationmethodsforadetailedbriefing.Ellipticallypolarizedlightbecausethetestisdifficulttounderstandintheory,apaperinthefinalchapters,itsdescribed.Keywords：Polarizationmeasurement，Polarized，Programme，Stokes长春理工大学毕业设计I目录第一章绪论...............................................................11.1前言...................................................................11.2激光偏振态测量技术现状..................................................11.3论文研究目的和内容......................................................3第二章偏振光基本理论.......................................................42.1自然光与偏振光..........................................................42.2完全偏振光..............................................................42.3部分偏振光..............................................................52.4光波偏振状态的辨别与检测................................................5第三章偏振光的表示方法.....................................................63.1琼斯矢量法..............................................................63.2斯托克斯矢量法..........................................................73.3邦加球法................................................................9第四章激光偏振态检测方法..................................................134.1偏振态的分类和鉴别.....................................................134.1.1偏振态的分类......................................................134.1.2偏振态的鉴别.......................................................144.2偏振控制器件...........................................................154.3普通偏振光的检测.......................................................164.4椭圆偏振光的检测方法...................................................194.5偏振态测量系统设计.....................................................22总结.....................................................................23参考文献...............................................................-25-致谢......................................................错误!未定义书签。长春理工大学毕业设计1第一章绪论1.1前言光束偏振特性一直是光学中研究的古老课题，从上个世纪60年代以后，特别是在激光器问世之后，偏振光学又焕发出新的青春活力，并得到了空前的规模和速度发展。偏振光学技术除了运用在测量糖溶液的溶度，测定晶轴位置，测定机械结构应力分布以外[1-6]，还可以应用在大气雷达测量，外差探测，图像识别，薄膜参数测试，光纤通信等广泛的领域[7-16]。随着偏光技术的发展，偏振光的应用越来越广泛。光波的偏振态通常分为自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。在偏光技术的应用中，线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光为最常用到的偏振光。而自然光与圆偏振光、部分偏振光和椭圆偏振光在光强分布上是完全相同的，这就需要在使用的过程中加以检验。对于自然光与圆偏振光的检验方法一般理论上很容易理解，但椭圆偏振光与部分偏振光的检验方法，从理论上却很难理解。现有文献多是集中在光波偏振态的表示研究，而对偏振光的检验却少有报道。本文从波片的理论出发，在理论上给出了较为详尽的描述，这对于理解与正确使用偏振光是十分必要的。通过测量光的偏振态除了可以研究光束偏振态信息以外，还可以研究光源的部分情况下的光束偏振态传输规律。显然，进行光的偏振态测量研究是很有意义的。1.2激光偏振态测量技术现状目前，国际上已有商用化偏振态测试仪，这些测试仪器功能较多，不仅可以测试偏振度(DOP)，还可以测试光的偏振态(SOP),并将SOP显示于邦加球上。但是，大多数商用化偏振态测试仪体积庞大，而且价格昂贵。这些产品主要采用的测试方法有：偏振仪法、偏振扰码法和极值搜索法[17]。偏振仪法是通过测试光信号的4个Stokes矢量来计算光束偏振态特性的。具体实现方法有调制法和分幅度法(第2.3节将详细介绍)。Fiberpro公司生产的SA2000偏振态测试仪就是采用调制法设计出来的，主要用于对稳定的连续光波的测量。而Agilent公司生产的8509系列偏振态测试仪则是采用分振幅度法设计而成的，它还可运用于瞬态光束偏振态测量。扰偏振法原理如图1.1所示。扰偏振器的作用是将光的偏振态随机化，在很短的时间内，最大限度地遍历所有可能的偏振态。理想情况下，在扰偏振周期内会存在这样的情况：长春理工大学毕业设计2图1.1扰偏振法原理图光信号的偏振部分的偏振态与起偏器的透光轴一致或正交。当与起偏器的透光轴一致时，偏振光全部通过起偏器，探测器将检测到最大功率；当与起偏器的透光轴正交时，偏振光全部被起偏器吸收，探测器将检测到最小功率。由于扰偏振器对非偏振光部分没有影响，而起偏器吸收其一半功率，因此非偏振光部分的功率应为最小功率的两倍。根据DOP的定义式polpolunpolPDOPPP=+(1.1)式中，polP和unpolP分别表示完全偏振光的功率和非偏振光的功率。可得maxminmaxminPPDOPPP-=+(1.2)因此，通过探测器检测到的极值，根据式(1.2)很容易计算得到DOP。但是采用这种方法无法对光束的偏振态进行全面的分析。为了消除扰偏振方法的不确定性，又提出了极值搜索法。极值搜索法实际上是一种闭环扰偏振的方法，具有扰偏振方法的优点。实现框图如图1.2所示，该方案是用有反馈信号控制的偏振控制器代替了扰偏振器。电路系统提供反馈信图1.2极值搜索测量原理号，经微处理器计算后用以调节偏振控制器，将被测信号中完全偏振光的偏振态转换为线偏振态，使探测器检测到信号功率的极大值和极小值，然后利用式(1.2)计算DOP。GeneralPhotonics公司生产的DOP101A测试仪采用的就是极值搜索法原理。用于连续或瞬变的部分相干部分偏振光束偏振特性研究的相干偏振矩阵测量仪器，目前还未见到相关产品的报道。虽然有部分文献报道了一些实验方案[18.19]，但是在这些方案中，一般只用于连续光束的测量。扰偏器起偏器探测器微处理器偏振控制器起偏器探测器长春理工大学毕业设计31.3论文研究目的和内容随着现代通信技术、激光技术、光电子技术的飞速发展。偏振光被越来越广泛的利用：光偏振态测量技术已经广泛应用于电子，化工，生物，医药和材料等领域。因此在了解偏振光的产生及其特性的同时，开展对其特性信息的检测研究也是十分有意义的。在大气激光通信中，由于大气的吸收，散射，湍流等影响，激光束在传输过程中将出现衰减，闪烁，偏移，强度和相位起伏等现象，使通信质量受到影响，严重时可能使激光通信无法进行。在大气激光窗口波段，激光受到的影响主要是散射和湍流。研究大气中的散射现象有较大的实际意义。通过研究不同条件下散射光的退偏振现象的差异，确定提高探测距离和图像对比度的因素，从而提高进入接收器的光学信噪比。自由空间光通信以其高带宽，高码率，高保密性，低功耗等优点成为一种新型的无线通信方式。就有良好的应用前景，而高速率，搞稳定性是自由空间光通信系统的发展方向。因此，对探求新的系统方案以及大气新道德研究就显得尤其重要。本论文主要分为四个章节：第一章为绪论，主要介绍了研究的背景和意义，以及目前测量光束偏振态的主要技术状况和相应存在的缺点和不足。第二章为偏振光的基本理论，简单的介绍了什么是偏振光，以及偏振光的种类。第三章详细地介绍了光束偏振态描述的几种方法——琼斯矢量、斯托克斯参量和邦加球，并比较了这几种方法的优缺点。本文主要对邦加球法和斯托克斯法作出了详细的说明与研究。第四章激光偏振态检测方法。介绍了偏振光的分类，并且如何去鉴别他们。由于椭圆偏振光的检测在理论上难以理解，所以，在本章的最后以如何去辨别和检测椭圆偏振光为例，对其做了详细的描