別漢棱鏡像面偏振態測試方法研究

杜建剛

【摘要】利用1/4波片和檢偏器檢測別漢棱鏡像面偏振態分布特性，實驗分析偏振態與入射角之間的關系。實驗采用檢測像面斯托克斯矢量得出光經過光學系統在像面的偏振度、偏振方位角、偏振橢率。

自然光入射別漢棱鏡，在像面上下兩個屋脊面不存在偏振像差。部分偏振光入射別漢棱鏡，在像面上下兩個屋脊面存在偏振像差線。線偏振光入射，在上下屋脊面存在偏振像差，在像面上下兩個屋脊面偏振度是很接近。

【關鍵詞】別漢棱鏡；偏振像差；線偏振光

【Abstract】The polarization characteristics of the prism surface were detected by 1/4 wave plate and analyzer. The relationship between the polarization state and the incident angle was analyzed experimentally. The polarimetric， polarized azimuth， and polarized ellipses of the optical system in the image plane are obtained by detecting the image of the Stokes image.

Natural light is incident on the prism， there is no polarization aberration on the roof surface of the upper and lower sides. Partial polarized light is incident on the prism， there are polarized aberrations in the upper and lower sides of the image plane. Linearly polarized light incident， in the upper and lower roof of the existence of polarization aberration， in the image plane on both sides of the roof surface polarization is very close.

【Key words】Doppler prism；Polarization aberration；Linearly polarized light

1. 緒論

1.1 前言。

當前，偏振像差是影響高速光纖通信的重要限制因素之一，像面偏振態的測量是一個基本的問題。而偏振態的檢測效果（如瓊斯矩陣法、邦加球法等），依賴于對光纖輸出光的偏振態的準確測量。

Temple提出了使用一個檢偏器，通過旋轉檢偏器的位置對偏振態進行檢測這種方法雖然簡單，但只能直接得到四個斯托克斯矢量的前3個分量S1、S2、S3。后來，Yoshinori Namihira和Hiroharu Wakabayashi采用的檢測光偏振態的方法等同于使用了一個旋轉的1/4波片和一個固定的檢偏器。它是利用旋轉1/4波片到4個不同位置得到的4個值列出一個方程組，從而通過計算解得到所需的偏振態參量。

1.2 課題研究的內容。

本課題研究的是要設計檢測方案，測試別漢棱鏡像面的偏振態分布特性，并對方案進行可行性實驗論證。利用本方案分別檢測線偏振光、部分偏振光、自然光經過別漢棱鏡在像面的偏振態，同時改變入射光的角度，實驗分析入射角與像面偏振態之間的關系。

1.3 課題研究的主要方案、方法和措施。

2 像面偏振態檢測方案的研究

2.1 設計檢測方案。

（1）檢測方案：先不用1/4波片，通過在光路中旋轉檢偏器，得到3個斯托克斯矢量S0、S1、S2然后將1/4波片插入，再旋轉檢偏器，得到最后一個斯托克斯矢量S3。

當被測光通過一個透射軸與x軸成θp角的檢偏器，用光電探測器測量透射光強I（θp）。

利用偏振元件的矩陣公式可得：S′=M（θp）S，其中S′是被檢測光通過檢偏器后的偏振態，S是被檢測光的偏振態，而M（θp）與x軸的夾角為θp的起偏器或檢偏器對光的作用矩陣。

3. 偏振態分布特性實驗檢測

3.1 線偏振光經別漢棱鏡成像的偏振態檢測。

3.1.1 線偏振光通過別漢棱鏡像面偏振態檢測試驗光路的搭建。

所需要的實驗器材： He～Ne激光器、擴束鏡、起偏器、1/4波片、載物臺別漢棱鏡、檢偏器、接收屏、光功率計。光路如圖1所示。

3.1.2 測量數據。

該實驗需要分別測量從上屋脊面和下屋脊面出射的光強，故需要遮擋別漢棱鏡，使其只有一半的光進入，這樣就得到只有從一個屋脊面的出射光，另一個屋脊面有光出射，用光功率計進行數據采集。

同理，換成遮擋另一半的光，用光功率計行數據采集。線偏振光實驗數據如表1所示。

3.1.3 數據分析。

（1）線偏振光經別漢棱鏡，在像面上下兩個屋脊面偏振度是很相接近的。

（2）方位角在上下兩個屋脊面有正負號之分，在上下屋脊偏振方位角的偏轉方向相反，并且偏轉的角度也不相同。

（3）偏振橢率在上下兩個屋脊面也有正負號之，絕對值大小不相同。

以上三點可以說明線偏振光經別漢棱鏡，在像面上下兩個屋脊面偏振態不同。

3.2 部分偏振光經別漢棱鏡成像的偏振態檢測。

3.2.1 部分偏振光通過別漢棱鏡像面偏振態檢測試驗光路的搭建。

所需要的實驗器材： He～Ne激光器、擴束鏡、波片堆、起偏器、1/4波片、載物臺、別漢棱鏡、檢偏器、接收屏、光功率計。光路如圖2所示。

3.2.2 測量數據

測量方法同線偏振光測量（詳見3.1.2線偏振光測量）。部分偏振光實驗數據如表2所示。

3.2.3 數據分析

（1）部分偏振光經別漢棱鏡，在像面上下兩個屋脊面偏振度是很相接近。

（2）從方位角和偏振橢率可以得出在上下兩個屋脊面偏振態不同。

3.3 入射光以不同的角度入射像面偏振態的檢測。

（1）線偏振光以不同入射角入射時，像面偏振態如表3所示。

（2）部分偏振光以不同入射角入射時，像面偏振態如表4所示。

3.3.1 數據分析。

（1） 線偏光經別漢棱鏡可得出像面的偏振度，隨入射角的增大而增大。偏振方位角，偏振橢率在上下兩個屋脊面有正負之分，可以得出在上下兩個屋脊面上偏振度不同。上屋脊面方位角隨入射角增大而減小，下屋脊面得方位角隨入射角的增大而減小。

（2）部分偏振光經別漢棱鏡后，偏振度隨入射角的增大而增大，方位角也隨之改變上下屋脊面有正負號之分，在上下兩個屋脊面上偏振度不同。偏振橢率在上下屋脊面有正負號之分，上屋脊面隨入射角增大隨之減小，下屋脊面隨入射角增大隨之增大。

4. 結論

通過對檢測方案的設計和可行性的論證。并實驗檢測了線偏振光、自然光、部分偏振光分別經別漢棱鏡后，在像面的偏振態。分析出了在像面上下兩個屋脊面偏振態的分布狀況。

本課題利用1/4波片和檢偏器檢測別漢棱鏡像面偏振態分布特性，實驗分析偏振態與入射發散角之間的關系。實驗采用檢測像面斯托克斯矢量得出光經過光學系統在像面的偏振度、偏振方位角、偏振橢率。

實驗得到入射角與像面偏振態之間的關系：

（1）線偏振光經別漢棱鏡，在像面的偏振度，隨入射角的增大而增大。上下兩個屋脊面上偏振度不同，上屋脊面方位角隨入射角增大而減小，下屋脊面得方位角隨入射角的增大而減小。

（2）部分偏振光經別漢棱鏡后，偏振度隨入射角的增大而增大，方位角也隨之改變，在上下屋脊面長軸與X軸的夾角旋轉方向相反，在上下兩個屋脊面上偏振度不同。偏振橢率在上屋脊面隨入射角增大隨之減小，在下屋脊面隨入射角增大隨之增大。

參考文獻

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[文章編號]1619-2737（2017）07-20-674