寬帶復合波片優(yōu)化設計與性能表征方法及其應用研究.pdf

1、雙折射波片是一種十分重要的偏振光學元件，能夠使偏振光的兩個垂直分量之間產(chǎn)生一定的相位延遲差，從而改變偏振光的偏振態(tài)。復合波片是由多個單波片按照光軸成不同夾角組合而成，能夠補償由波長、入射角、溫度等變化導致的光學特性的偏差。復合波片同其他偏振器件配合可實現(xiàn)偏振光的改性、調制和檢測等，廣泛應用于偏振測量、光學成像、激光技術、光學通信等領域。復合波片的偏振光學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

2、特性對光學系統(tǒng)的適用光譜范圍、測量精度等性能有極大的影響。復合波片的特征參數(shù)由各單波片的制作材料、厚度、光軸方位等結構特性和入射光的波長、入射角、溫度等應用環(huán)境因素決定。因此，研究復合波片優(yōu)化設計方法、光學特性測量表征、誤差分析與校準及其在相關光學系統(tǒng)中的應用等，對提高復合波片偏振光學性能，進而提高相關光學系統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。
　　鑒于此，本學位論文圍繞復合波片的優(yōu)化設計、特征參數(shù)表征、光軸對準及殘余光軸對準誤差校準、以

3、及在寬光譜穆勒矩陣橢偏測量系統(tǒng)中的應用等方面開展研究，主要研究工作和創(chuàng)新點包括：
　　基于瓊斯等效理論建立了復合波片等效模型，將任意復合波片等效為一個線相位延遲器和一個旋光器（圓相位延遲器）組成的級聯(lián)系統(tǒng)。在此基礎上，提出了GCW寬帶消色差復合波片優(yōu)化設計方法。相比傳統(tǒng)波片設計，GCW波片具有更一般的結構，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)化設計提供了更多自由度，從而可以設計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合波片。
　　基于光波傳輸理論推導了復合波片視場效應理論，給出了復合波片在任意入射角和方位角下的相位延遲量表達式。在此基礎上，提出了寬視場角復合波片的優(yōu)化設計方法，將正性和負性雙折射材料波片組合，用以抵消視場效應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、可靠地計算寬視場角復合波片的設計初值，保證優(yōu)化設計過程的可靠性和可重復性。
　　提出了基于穆勒矩陣橢偏儀的復合波片特征參數(shù)測量表征方法。定

5、義了復合波片各偏振特征參數(shù)，基于穆勒矩陣拓展了復合波片等效理論，推導了復合波片特征參數(shù)與穆勒矩陣元素之間的表達式。實驗表明，相比于現(xiàn)有技術，該方法能夠在一次測量中表征出任意復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。
　　提出了基于復合波片特征參數(shù)光譜波動的復合波片光軸對準及殘余光軸對準誤差校準方法。建立了復合波片特征參數(shù)與光軸對準誤差之間的理論解析模型，分析了復合波片特征參數(shù)光譜波動特

6、性以及不同特征參數(shù)光譜波動對復合波片光軸對準誤差的靈敏度。實驗表明，相比于現(xiàn)有技術，該方法能將光軸對準精度提高近一個量級，并且能夠實現(xiàn)光軸對準精度和殘余光軸對準誤差的定量評估與校準。
　　提出基于GCW復合波片的寬光譜穆勒矩陣橢偏測量系統(tǒng)設計方法。研究了基于GCW復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)校準等工作原理及其系統(tǒng)優(yōu)化設計方法。在此基礎上，組建了適用波段范圍為200-1000nm的基于GCW復合波片的寬光譜穆勒矩