低損耗薄膜背散儀的s、p分量轉換結構研究＊

汪桂霞

（西安工業(yè)大學 北方信息工程學院，陜西 西安 710032）

引 言

在用于激光陀螺高反射鏡的背向散射測量的低損耗薄膜背散儀的設計過程中，由于背散射光比較弱，必須保證最大光強的激光入射到被檢測表面，才能更好地測量被檢測表面的背散射情況［1］。所以，低損耗薄膜背散儀在實現(xiàn)s、p偏振光的測量時必須考慮能量損耗問題。本文提出的s、p偏振光的測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)出的激光束依次經過聲光調制器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出來的光分別經過s、p分量轉換部件F進入積分球J，最后到達被檢測表面Q，經被檢測表面Q反射的光被陷光器E吸收，背散射光返回積分球J內部，由光電倍增管將背散射光信號轉變?yōu)殡娦盘?，光電倍增管的輸出信號送往鎖相放大器，由計算機控制數(shù)據(jù)的讀取，并且進行數(shù)據(jù)處理，從而可以得到被測表面的背散射情況。C、L、F和J，D組成的整體是可繞O－O軸轉動的旋轉架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波片實現(xiàn)s、p分量轉換方法

如圖2，s、p分量轉換部件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。設進入P1的光矢為E0，從P1出來的光矢為E′01，則有：

離開B3后，這兩個分量的位相差為δ＝π／2，兩單色波干涉的強度公式為：

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)測量實現(xiàn)原理圖Fig.3 Principle diagram of measuring polarization

此時，調整裝置，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，從P2出射的都為線偏振光［4］，當N2沿x軸時，實現(xiàn)s偏振態(tài)的測量，由式（4）得：

同理，當N2沿z軸時，實現(xiàn)p偏振態(tài)的測量，由式（4）得：

故s、p偏振態(tài)測量時的能量損耗I″均為：

3 λ／2波片實現(xiàn)s、p分量轉換結構

圖4為s、p分量轉換部件F，由起偏器P1和λ／2波片B4組成。

由He－Ne激光器發(fā)出的光線通過起偏器成為線偏振光，再通過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動兩倍角，當線偏振光通過波片后光矢量向著快軸的方向會轉過90°角，因為s、p偏振光是相互垂直的，所以λ／2波片轉動45°可以實現(xiàn)s、p偏振光的轉換。

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)測量時的能量損耗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出來的光矢的振動方向與x成90°，即沿z軸方向。此時，實現(xiàn)p偏振態(tài)的測量，從P1出來的光矢為E′01，則從B4出射的光強Iout為：

當D′4逆時針旋轉45°，即與z軸重合時，則從B4出來時，實現(xiàn)s偏振態(tài)的測量，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，在實現(xiàn)s、p偏振態(tài)測量時就沒有能量損耗［5］。

4 s、p分量轉換部件調節(jié)結構設計

由上分析可知，在低損耗薄膜背散儀中，實現(xiàn)s、p偏振態(tài)的選擇測量時，用到一個λ／2波片來實現(xiàn)，圖6為實現(xiàn)s、p偏振態(tài)的選擇測量的系統(tǒng)機械裝配圖，λ／2波片1放置于λ／2波片座2上，s、p轉換桿4可以繞波片中心在波片s、p轉換座3上45°范圍內轉動，5為轉換座擋板，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。因為λ／2波片的快軸轉動α角度，從λ／2波片出來的光線將轉動2α角度。根據(jù)λ／2波片的這一特點，如果s、p轉換桿4每轉動45°，就可以實現(xiàn)s偏振態(tài)到p偏振態(tài)的轉換，或者從p偏振態(tài)到s偏振態(tài)的轉換。

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

5 結 論

低損耗薄膜背散儀在實現(xiàn)s、p偏振光的測量時，采用λ／2波片來實現(xiàn)s、p分量轉換的方法，使得能量損耗為0，這完全符合低損耗薄膜背散儀的設計要求。

［1］吳軍輝，龍興武.自動測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.光學原理（上冊）［M］.上海：科學出版社，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，李國華.偏光器件的Jones矩陣研究［J］.光學技術，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構優(yōu)化［J］.光學儀器，2010，32（4）：71－74.