保偏反射鏡相位延遲度測量分析

閆青艷

【摘 要】相位延遲度的測量方法有圓偏光光強測量法、消光比測量法和橢偏儀測試法。論文采用三種測試法，對具有532nm保偏性能的反射鏡相位延遲度進行對比并分析其差異來源。主要得出以下結(jié)論：從操作過程看，采用橢偏儀測試法操作簡單、方便，更利于批量性產(chǎn)品測試；從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，橢偏儀測試法在數(shù)據(jù)處理上考慮了系統(tǒng)的校正，而圓偏光光強和消光比測量法雖然有校正系統(tǒng)，但是在數(shù)據(jù)處理上并未將系統(tǒng)背景考慮進去，這是產(chǎn)生差異的主要原因。

【Abstract】The methods of measuring phase delay include circle polarization， light intensity measurement， extinction ratio measurement and ellipsometry test. In this paper， three methods are used to compare the phase delay of the mirror with 532nm polarization preserving property， and the difference sources are analyzed. The main conclusion as following： according to the operation process， the test method of ellipsometer with simple and convenient operation， more conducive to the bulk of the product testing； the result shows that the test method of ellipsometry in the data processing system considering the correction and circular polarized light intensity and extinction ratio measurement method although the correction system， but in the data processing system will not background into consideration， this is the main reason for the differences.

【關(guān)鍵詞】保偏反射鏡；相位； 延遲度；光學(xué)測量

【Keywords】polarization-maintaining mirror； phase； delay； optical measurement

【中圖分類號】TN216 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）06-0155-02

1 引言

光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡、反射鏡等元件，會在一定程度上改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)，我們把這種偏振狀態(tài)的改變稱為殘余偏振。而這種殘余偏振是光學(xué)系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的偏振效應(yīng)，會降低光學(xué)系統(tǒng)的成像能力。在有些光學(xué)反射系統(tǒng)中，需要降低殘余偏振，要求入射光的偏振狀態(tài)經(jīng)過反射后必須保持不變。我們將這種能夠保持入射光偏振狀態(tài)的反射鏡稱為保偏反射鏡。保偏，等效于光束經(jīng)過產(chǎn)品后不發(fā)生相位延遲，P偏振和S偏振光強度一致。本文提出了采用圓偏光光強（Rotatory Polarization Intensity， RPI）測量法、消光比（ER）測試法和橢偏儀這三種測量方法測試532nm保偏反射鏡的相位延遲度，以橢偏儀法的延遲度為參考，分別比較了RPI 延遲度、ER 延遲度及橢偏儀延遲度的線性相關(guān)性和差異，并分析其差異來源。

2 測試方法

2.1 RPI測量法原理

產(chǎn)品保偏，意味著當(dāng)圓偏光入射到產(chǎn)品表面經(jīng)過反射，通過旋轉(zhuǎn)檢偏器反射光的強度不發(fā)生改變。圓偏光光強測量法采用自組裝的測試裝置，由Laser（532nm）發(fā)出的光垂直入射，經(jīng)過起偏器，然后再經(jīng)過1/4波片，以45°入射到待測反射鏡上，最后經(jīng)過檢偏器，出射光強由功率計接收。

測量步驟如下：

①系統(tǒng)調(diào)試。將光源、起偏器和功率計放置在光路上，保證光源發(fā)出的光垂直入射，記錄功率計讀數(shù)N1；將檢偏器A的振動方向與起偏器振動方向成90°放置，然后將1/4波片放在起偏器和檢偏器之間，旋轉(zhuǎn)波片功率計接收功率最小，再將波片旋轉(zhuǎn)45°，形成圓偏光，此時旋轉(zhuǎn)檢偏器，則可以得到一組不同檢偏角度的光強度數(shù)據(jù)I1°......I360°，記錄數(shù)據(jù)與N1的比值可以得到圖1 Baseline曲線。

2.3 橢偏儀測量法原理

反射橢偏測量的原理是利用偏振光束在界面上反射時出現(xiàn)偏振變換、利用反射橢偏測量術(shù)，用橢偏儀直接測量偏振光波經(jīng)過產(chǎn)品時偏振態(tài)的改變。本文中采用ESS03 VI橢偏儀測量相位延遲度。利用橢偏儀的測試軟件，測試過程只需要設(shè)置測試波長和入射角度，就可以直接得到相位延遲度。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 RPI測試法與橢偏儀測試法的相關(guān)性與差異性

如圖3所示兩種方法的相關(guān)性較好，但是仍存在一定的區(qū)別。理想情況下，利用RPI法得到的圓偏光在檢偏器旋轉(zhuǎn)360°都能得到相同的光強，但是由于系統(tǒng)誤差（起偏器和檢偏器的消光比、1/4波片延遲度），所得到的光強會出現(xiàn)輕微波動（見圖1 曲線Baseline）。當(dāng)系統(tǒng)中放入待測樣品時，由于待測樣品不能完全保偏，導(dǎo)致入射的圓偏光在反射后的偏振態(tài)發(fā)生輕微變化，光強的波動曲線會更明顯（見圖1 曲線product），代入公式計算時，延遲度差異會較大。采用RPI法測量延遲度，數(shù)據(jù)處理時未考慮系統(tǒng)圓偏光對結(jié)果的影響，因此在采用RPI法測量延遲度時，操作方法及數(shù)據(jù)記錄煩瑣，對于如何能控制更好的圓偏光以及數(shù)據(jù)處理時系統(tǒng)圓偏光對結(jié)果的影響值得進一步研究。

3.2 ER測試法與橢偏儀測試的相關(guān)性與差異性

如圖4所示兩種方法存在較好的相關(guān)性。結(jié)合圖5的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，用ER法測試的延遲度數(shù)值都略大于橢偏儀法測量的延遲度[1]。這種情況可能是由于采用ER法測試時需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)消光，每次測試的系統(tǒng)消光值有差異，而這種差異在計算時并未考慮進去。而利用橢偏儀測試，直接利用測試軟件，每次經(jīng)過系統(tǒng)校正，且計算時已經(jīng)考慮了系統(tǒng)誤差，準(zhǔn)確度上會優(yōu)于ER法。且采用橢偏儀測試，測試過程簡單、方便，避免了測試人員操作差異導(dǎo)致的誤差。

4 結(jié)語

本文對具有532nm 保偏性能的反射鏡的相位延遲度數(shù)據(jù)進行了整理和統(tǒng)計， 對三種測試方法的相關(guān)性和差異進行了分析討論，主要得出以下結(jié)論：首先，圓偏光光強測試法、消光比測試法和橢偏儀測試法的線性擬合度均較好，三種方法之間有較好的一致性，其差異來源主要是圓偏光光強測試法和消光比測試法在數(shù)據(jù)處理時未考慮系統(tǒng)背景對測試結(jié)果的影響。其次，從操作過程來看，采用橢偏儀測試操作簡單、方便，更適用于批量性產(chǎn)品測試。

【參考文獻】

【1】楊帆.光學(xué)系統(tǒng)中偏振光的傳輸特性研究[D].成都：中科院光電技術(shù)研究所，2006.