寬帶復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能表征方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、雙折射波片是一種十分重要的偏振光學(xué)元件，能夠使偏振光的兩個(gè)垂直分量之間產(chǎn)生一定的相位延遲差，從而改變偏振光的偏振態(tài)。復(fù)合波片是由多個(gè)單波片按照光軸成不同夾角組合而成，能夠補(bǔ)償由波長、入射角、溫度等變化導(dǎo)致的光學(xué)特性的偏差。復(fù)合波片同其他偏振器件配合可實(shí)現(xiàn)偏振光的改性、調(diào)制和檢測等，廣泛應(yīng)用于偏振測量、光學(xué)成像、激光技術(shù)、光學(xué)通信等領(lǐng)域。復(fù)合波片的偏振光學(xué)特性可以用相位延遲量、光軸方位角、旋光角和快慢軸透過率幅值比等特征參數(shù)表征，這些光學(xué)

2、特性對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的適用光譜范圍、測量精度等性能有極大的影響。復(fù)合波片的特征參數(shù)由各單波片的制作材料、厚度、光軸方位等結(jié)構(gòu)特性和入射光的波長、入射角、溫度等應(yīng)用環(huán)境因素決定。因此，研究復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、光學(xué)特性測量表征、誤差分析與校準(zhǔn)及其在相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用等，對(duì)提高復(fù)合波片偏振光學(xué)性能，進(jìn)而提高相關(guān)光學(xué)系統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。
　　鑒于此，本學(xué)位論文圍繞復(fù)合波片的優(yōu)化設(shè)計(jì)、特征參數(shù)表征、光軸對(duì)準(zhǔn)及殘余光軸對(duì)準(zhǔn)誤差校準(zhǔn)、以

3、及在寬光譜穆勒矩陣橢偏測量系統(tǒng)中的應(yīng)用等方面開展研究，主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　　基于瓊斯等效理論建立了復(fù)合波片等效模型，將任意復(fù)合波片等效為一個(gè)線相位延遲器和一個(gè)旋光器（圓相位延遲器）組成的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，提出了GCW寬帶消色差復(fù)合波片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。相比傳統(tǒng)波片設(shè)計(jì)，GCW波片具有更一般的結(jié)構(gòu)，各單波片的中心波長和光軸方位角均為待優(yōu)化參數(shù)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更多自由度，從而可以設(shè)計(jì)出適用更寬波段范圍、相位延遲量消色差效果

4、更好的寬帶消色差復(fù)合波片。
　　基于光波傳輸理論推導(dǎo)了復(fù)合波片視場效應(yīng)理論，給出了復(fù)合波片在任意入射角和方位角下的相位延遲量表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，提出了寬視場角復(fù)合波片的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將正性和負(fù)性雙折射材料波片組合，用以抵消視場效應(yīng)帶來的相位延遲量偏差；利用有效折射率隨入射角變化速率，快速、可靠地計(jì)算寬視場角復(fù)合波片的設(shè)計(jì)初值，保證優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的可靠性和可重復(fù)性。
　　提出了基于穆勒矩陣橢偏儀的復(fù)合波片特征參數(shù)測量表征方法。定

5、義了復(fù)合波片各偏振特征參數(shù)，基于穆勒矩陣拓展了復(fù)合波片等效理論，推導(dǎo)了復(fù)合波片特征參數(shù)與穆勒矩陣元素之間的表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)表明，相比于現(xiàn)有技術(shù)，該方法能夠在一次測量中表征出任意復(fù)合波片的全部偏振特征參數(shù)光譜，包括相位延遲量、光軸方位角、旋光角和快慢軸透過率幅值比。
　　提出了基于復(fù)合波片特征參數(shù)光譜波動(dòng)的復(fù)合波片光軸對(duì)準(zhǔn)及殘余光軸對(duì)準(zhǔn)誤差校準(zhǔn)方法。建立了復(fù)合波片特征參數(shù)與光軸對(duì)準(zhǔn)誤差之間的理論解析模型，分析了復(fù)合波片特征參數(shù)光譜波動(dòng)特

6、性以及不同特征參數(shù)光譜波動(dòng)對(duì)復(fù)合波片光軸對(duì)準(zhǔn)誤差的靈敏度。實(shí)驗(yàn)表明，相比于現(xiàn)有技術(shù)，該方法能將光軸對(duì)準(zhǔn)精度提高近一個(gè)量級(jí)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)光軸對(duì)準(zhǔn)精度和殘余光軸對(duì)準(zhǔn)誤差的定量評(píng)估與校準(zhǔn)。
　　提出基于GCW復(fù)合波片的寬光譜穆勒矩陣橢偏測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。研究了基于GCW復(fù)合波片的穆勒矩陣橢偏儀測量系統(tǒng)的系統(tǒng)測量和系統(tǒng)校準(zhǔn)等工作原理及其系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，組建了適用波段范圍為200-1000nm的基于GCW復(fù)合波片的寬光譜穆勒矩