汪桂霞

（西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

引 言

在用于激光陀螺高反射鏡的背向散射測(cè)量的低損耗薄膜背散儀的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于背散射光比較弱，必須保證最大光強(qiáng)的激光入射到被檢測(cè)表面，才能更好地測(cè)量被檢測(cè)表面的背散射情況［1］。所以，低損耗薄膜背散儀在實(shí)現(xiàn)s、p偏振光的測(cè)量時(shí)必須考慮能量損耗問(wèn)題。本文提出的s、p偏振光的測(cè)量方法就是在使能量損耗最小的要求下提出的。

1 低損耗薄膜背散儀原理

如圖1所示，從He－Ne激光器G發(fā)出的激光束依次經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器S、水平反光鏡V、λ／2波片B2和垂直高反鏡C，入射到兩面鏡L上，從L出來(lái)的光分別經(jīng)過(guò)s、p分量轉(zhuǎn)換部件F進(jìn)入積分球J，最后到達(dá)被檢測(cè)表面Q，經(jīng)被檢測(cè)表面Q反射的光被陷光器E吸收，背散射光返回積分球J內(nèi)部，由光電倍增管將背散射光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，光電倍增管的輸出信號(hào)送往鎖相放大器，由計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)的讀取，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而可以得到被測(cè)表面的背散射情況。C、L、F和J，D組成的整體是可繞O－O軸轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)架T。

圖1 低損耗薄膜背散儀原理圖Fig.1 Principle diagram of the low－loss instrument for measuring film

2 λ／4波片實(shí)現(xiàn)s、p分量轉(zhuǎn)換方法

如圖2，s、p分量轉(zhuǎn)換部件F由起偏器P1、λ／4波片B3和檢偏器P2組成。

圖3中，N1、N2分別為P1和P2的透光軸方向，N1和N2的夾角為χ，D′和D″分別代表B3的快軸和慢軸方向，D′與N1的夾角為φ。設(shè)進(jìn)入P1的光矢為E0，從P1出來(lái)的光矢為E′01，則有：

離開(kāi)B3后，這兩個(gè)分量的位相差為δ＝π／2，兩單色波干涉的強(qiáng)度公式為：

由式（1）～式（3）可以得到［2－3］：

圖2 λ／4波片原理Fig.2 Principle diagram of the wave plate

圖3 偏振態(tài)測(cè)量實(shí)現(xiàn)原理圖Fig.3 Principle diagram of measuring polarization

此時(shí)，調(diào)整裝置，使N1沿x軸方向，并且φ＝45°，則從B3出射的光為圓偏振光，那么P2的透光軸方向N2沿x或z軸時(shí)，從P2出射的都為線偏振光［4］，當(dāng)N2沿x軸時(shí)，實(shí)現(xiàn)s偏振態(tài)的測(cè)量，由式（4）得：

同理，當(dāng)N2沿z軸時(shí)，實(shí)現(xiàn)p偏振態(tài)的測(cè)量，由式（4）得：

故s、p偏振態(tài)測(cè)量時(shí)的能量損耗I″均為：

3 λ／2波片實(shí)現(xiàn)s、p分量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

圖4為s、p分量轉(zhuǎn)換部件F，由起偏器P1和λ／2波片B4組成。

由He－Ne激光器發(fā)出的光線通過(guò)起偏器成為線偏振光，再通過(guò)λ／2波片，并與波片的快軸成45°夾角，由于λ／2波片使光矢量方向轉(zhuǎn)動(dòng)兩倍角，當(dāng)線偏振光通過(guò)波片后光矢量向著快軸的方向會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)90°角，因?yàn)閟、p偏振光是相互垂直的，所以λ／2波片轉(zhuǎn)動(dòng)45°可以實(shí)現(xiàn)s、p偏振光的轉(zhuǎn)換。

把λ／4波片B3和檢偏器P2換成λ／2波片B4，可以消除s、p偏振態(tài)測(cè)量時(shí)的能量損耗I″。在圖5中，起偏器P1的透光軸N1沿x軸方向，B4的快軸D′4與x軸成45°。

圖4 λ／2波片原理Fig.4 Principle diagram of the wave plate

從B4出來(lái)的光矢的振動(dòng)方向與x成90°，即沿z軸方向。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)p偏振態(tài)的測(cè)量，從P1出來(lái)的光矢為E′01，則從B4出射的光強(qiáng)Iout為：

當(dāng)D′4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，即與z軸重合時(shí)，則從B4出來(lái)時(shí)，實(shí)現(xiàn)s偏振態(tài)的測(cè)量，同理有：

由式（8）可知，若把λ／4波片B3和檢偏器P2換成λ／2波片B4，在實(shí)現(xiàn)s、p偏振態(tài)測(cè)量時(shí)就沒(méi)有能量損耗［5］。

4 s、p分量轉(zhuǎn)換部件調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上分析可知，在低損耗薄膜背散儀中，實(shí)現(xiàn)s、p偏振態(tài)的選擇測(cè)量時(shí)，用到一個(gè)λ／2波片來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖6為實(shí)現(xiàn)s、p偏振態(tài)的選擇測(cè)量的系統(tǒng)機(jī)械裝配圖，λ／2波片1放置于λ／2波片座2上，s、p轉(zhuǎn)換桿4可以繞波片中心在波片s、p轉(zhuǎn)換座3上45°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，5為轉(zhuǎn)換座擋板，6為平端緊定螺釘M4×8，7為沉頭螺釘M2.5×6，8為沉頭螺釘M3×8。因?yàn)棣耍?波片的快軸轉(zhuǎn)動(dòng)α角度，從λ／2波片出來(lái)的光線將轉(zhuǎn)動(dòng)2α角度。根據(jù)λ／2波片的這一特點(diǎn)，如果s、p轉(zhuǎn)換桿4每轉(zhuǎn)動(dòng)45°，就可以實(shí)現(xiàn)s偏振態(tài)到p偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換，或者從p偏振態(tài)到s偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖6 s、p偏振態(tài)轉(zhuǎn)換裝置圖Fig.6 The conversion device of s，p polarization

5 結(jié) 論

低損耗薄膜背散儀在實(shí)現(xiàn)s、p偏振光的測(cè)量時(shí)，采用λ／2波片來(lái)實(shí)現(xiàn)s、p分量轉(zhuǎn)換的方法，使得能量損耗為0，這完全符合低損耗薄膜背散儀的設(shè)計(jì)要求。

［1］吳軍輝，龍興武.自動(dòng)測(cè)量超光滑表面微分散射的微分散射儀器［J］.激光與紅外，1999，29（6）：347－349.

［2］玻恩 M，沃耳夫E.光學(xué)原理（上冊(cè)）［M］.上海：科學(xué)出版社，1981：843－863.

［3］汪桂霞，徐昌杰，王青松.一種精確確定波片快慢軸方位的新方法［J］.激光與紅外，2006，36（8）：699－702.

［4］任廣軍，李國(guó)華.偏光器件的Jones矩陣研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2003，29（5）：578－580.

［5］汪桂霞，王青松，徐昌杰.低損耗薄膜背散儀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.光學(xué)儀器，2010，32（4）：71－74.