[发明专利]一种偏振调制结构及偏振测量系统

说明书

本发明属于光学检测装置领域，并具体公开了一种偏振调制结构及偏振测量系统，其包括旋转补偿器和偏振器，所述旋转补偿器为连续旋转的复合波片，该复合波片由多个同种材料的单波片组合而成，该复合波片的整体结构由各单波片的厚度和光轴夹角依据偏振特性传递矩阵优化设计确定。本发明的偏振调制结构具有结构简单，容易加工，波长适用范围广的优点，并且基于该偏振调制结构可设计出宽波段偏振测量系统，适应于宽波段精密偏振测量的需求。

技术领域

本发明属于光学检测装置领域，更具体地，涉及一种偏振调制结构及偏振测量系统。

背景技术

偏振测量系统包括椭偏仪和偏振仪，是一类重要的光学测量仪器，通过探测偏振光与样品相互作用(反射或透射)后的偏振态或偏振态改变量，来获取待测对象的光学特性或其他参数，如光学常数、几何尺寸、形貌分布等，在物理、化学、材料、生物、天文、海洋、遥感、导航等多个领域都有着广泛的应用。偏振测量系统实现偏振测量的关键在于偏振器件对偏振光的调制与解调，根据偏振调制器件工作原理的不同，偏振测量系统可以分为不同的种类。常用的偏振调制器件包括偏振器、液晶相位延迟器、光弹调制器、旋转补偿器等。其中，旋转补偿器通过旋转电机或其他装置带动光学补偿器连续旋转实现偏振调制与解调，由于能够实现全偏振态调制，且具有调制精度和稳定性高、适用光谱范围宽、安装调整与校准简单等优点，是目前偏振测量系统中主要的偏振调制器件。

常用的旋转补偿器类型包括波片、菲涅耳棱镜。其中，菲涅尔棱镜利用全反射相变原理使偏振光产生相位差，能够很好地实现紫外-红外波段的偏振调制与解调，但其结构复杂，调整难度大，且具有光学二向色等。相比而言，波片通常由双折射晶体材料制作而成，通过材料本身的双折射特性使偏振光产生相位差，波片尺寸紧凑、结构简单、调整容易，且没有二向色等缺陷，是一种比较理想的偏振调制器件。单个双折射晶体片构成的单波片是最简单的一种波片，但是由于双折射材料色散特性，单波片的适用波长范围非常窄。通常的做法是将若干片同种材料或不同材料单波片组合成复合波片，以降低单波片的加工难度或色散特性。

常见复合波片包括Beckers波片(J.M.Beckers,Appl.Opt.,Vol.10,pp.973-975,1971)和Pancharatnam波片(S.Pancharatnam,Proc.Indian.Acad.Sci.A,Vol.41,pp.137-144,1955)。Beckers波片是由不同材料单波片组成的复合波片，利用不同材料光学特性相互抵消部分色散，但这种复合波片的消色差特性取决于所选用的材料，消色差适用波长范围依然有限。Pancharatnam波片是用奇数个(大于等于3个)同种材料的单波片组成的消色差复合波片，其消色差特性由各单波片的个数和结构确定，但是这种复合波片的结构具有严格的对称性要求，中间的波片为半波长波片，以中间半波片为参考，两边对称位置的单波片要求具有相同的相位延迟量和光轴方位，这种复杂的结构增加了加工难度，极大地限制了其消色差适用波段范围。另外，还有将上述两种消色差复合波片结合而成的超级消色差复合波片(P.Hariharan,J.Mod.Opt.,Vol.51,pp.2315-2322,2004)，可以在很宽的波长范围内实现消色差效果，但是这种复合波片要求至少包括两种材料的6个单波片，而且要求具有对称性结构，这极大地增加了加工难度和成本，也会在偏振测量系统中引入更多误差。上述复合波片由于消色差适用波长范围有限或结构过于复杂难以加工，在实际偏振测量系统中应用很少。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种偏振调制结构及偏振测量系统，其通过设计基于复合波片旋转补偿器结合偏振器的偏振调制基本单元，并依据偏振调制结构的偏振特性传递矩阵优化设计确定基于复合波片旋转补偿器的整体结构，设计获得的偏振调制结构具有结构简单，容易加工，波长适用范围广的优点，并且基于该偏振调制结构可设计出宽波段偏振测量系统，适应于宽波段精密偏振测量的需求。