正入射角錐偏振光的失偏測量與糾偏

任遠 黃春暉

摘要：為解決角錐棱鏡失偏效應，提出一種外加晶片的橢圓偏振光糾偏方案。總結角錐實棱傾斜時的修正公式，同時建立角錐在順、逆時針反射次序下的糾偏模型。分析該模型表明利用兩個半波片和一個延遲片可以使角錐的入/出射偏振態(tài)保持不變。根據(jù)上述模型，用1064nm波長的激光器，對實棱線豎直擺放的BK7玻璃角錐進行順、逆時針糾偏實驗。光波矢與水平方向的夾角在90°至0°之間變化，以獲得不同的線偏振態(tài)，經(jīng)糾偏后最大失偏橢圓率絕對值從35°糾正為5°。對于近圓偏振光，經(jīng)糾偏后橢圓率從44°下降到40°。

關鍵詞：角錐;偏振態(tài);糾偏

中圖分類號：O4363 文獻標志碼：A

引言

角錐棱鏡能使任意方向入射的光線，經(jīng)其三次內(nèi)部反射后，光線的出射方向與入射方向平行。利用這一特性，將角錐棱鏡用作激光器的后腔鏡，可以使激光器在較大范圍內(nèi)不失調，譬如免調試固體激光器。但光束在依次進行棱鏡內(nèi)部三次全反射時，偏振面需要偏轉一定角度，結果導致失偏，即輸出光束與輸入的偏振態(tài)不。對于單激光媒質來說，諧振器中光束的失偏會降低其Q值，降低激光器的效率。對于多激光媒質來說，角錐棱鏡可用于激光束間的相干合成，提高合成效率，獲得高能量密度的強激光，同時要求輸出光束不產(chǎn)生失偏，以保證相干合成激光器的高Q品質。因此，如何使得角錐的輸入和輸出偏振態(tài)保持一致，也就是實現(xiàn)“保偏”，成為研制高性能相干合成固體激光器的關鍵。角錐棱鏡共有6種傳輸路徑，對于同一束入射光來說，每條反射路徑引起的失偏也不同。實現(xiàn)角錐保偏，可使用折射率為1.22的材料，使得全反射后平行與垂直偏振分量相移相等，但折射率為1.22的材料難以尋找，而且折射率常常隨著波長變化，因此保偏難以實現(xiàn)。目前角錐的保偏方式分為鍍膜和外加晶片兩種。對于鍍膜保偏方式，李剛等H設計了光學保偏薄膜用于角錐保偏;Lee等利用相控涂層保持s或P輸入的偏振態(tài);Kalibjian研究了633～1550nm光譜范圍內(nèi)的14種金屬鍍膜的角錐棱鏡的偏振特性;這些保偏方式均需要額外的鍍膜工藝。對于外加晶片方式，李建民等利用角錐棱鏡入射區(qū)域中存在一對正交的本征線偏振光，其被角錐棱鏡反射后仍然是該方向線偏振光的原理，研制了折疊式角錐棱鏡諧振腔激光器，但該保偏方式只能保持某對特殊的偏振態(tài);彭堂超等使用3片1/4波片實現(xiàn)保偏，但該方案僅能用于線偏振態(tài)保偏。本文提出一種利用兩個半波片、附加延遲器的角錐糾偏方案，該方案不僅適用于正入射下線偏振的保偏，還可以用于橢圓偏振態(tài)保偏。理論和實驗證明該方案確實可行。

1正入射角錐的瓊斯矩陣

以圖1（a）和1（b）角錐擺放方式研究偏振特性，定義光坐標系，棱BA始終豎直，定義為s方向，光線方向K垂直入射面ABC，定義P=sxK，面AOC記為1，面AOB記為2，面BOC記為3，Q'對應面ABC中心，反射次序定義如圖1（c）所示，實/虛線為兩反射面邊界及其對稱像，稱為實/虛棱。依據(jù)光線入射角錐的反射方向只分為順、逆時鐘兩種，以123對應逆時針反射次序、321對應順時針反射次序作為偏振特性研究基礎。

對BK7玻璃材料角錐，使用中心波長1064 nm的光纖激光器作為光源，采用NewPort公司生產(chǎn)的壓電旋轉電機AG-PR100旋轉1/4波片和偏振片改變偏振態(tài)，其旋轉精度為1”（5urad）。用Thorlabs公司生產(chǎn)的偏振態(tài)測量儀PAX 1000分別測量順、逆反射方式下無保偏時入射角周期變化的線偏振態(tài)的出射結果，以及采用半波片與延遲器保偏的結果。實驗裝置原理如圖5所示，u軸表示波片的光軸或線偏振片方向軸，θo表示沿K方向P軸順時針轉向u軸的夾角，角錐內(nèi)部的反射路線用虛線表示。

圖6為角錐未糾偏時，132和231反射方式下輸入線偏振態(tài)時的輸出結果，使用Stokes參數(shù)表示，理論結果用實線表示，空心圓點是每20個實驗數(shù)據(jù)點取平均值。從圖中可以看到實驗與理論基本符合，圖6（a）中實驗與理論的最大值有誤差，是由角錐實棱AO'垂直擺放偏差引起，圖6（b1中實驗與理論的周期有誤差，是由于實驗中輸入的線偏振角速度非均速導致。

糾偏前后的結果如圖7所示。為直觀比較對失偏角錐的糾偏程度，使用方向角（灰）和橢圓率（黑）描述，入射偏振態(tài)依次為：偏振方向與P軸夾角從90°變?yōu)?°的線偏振光，左、右旋圓偏振光。其中，線偏振光源經(jīng)過1/4波片得到圓偏振光;再通過逆時針方向旋轉的偏振片后，當測得S1為1、S2為0時標記為人射線偏振態(tài)角180°或0°的位置，測得S1為-1、S2為0時為入射線偏振態(tài)角90°的位置，繼續(xù)旋轉偏振片即可得到夾角從90°變?yōu)?°的線偏振光?？梢钥吹浇?jīng)過糾偏后，線偏振態(tài)最大失偏橢圓率絕對值從35°降低至5°，方向角跟隨入射偏振態(tài)呈一條斜線。實驗中入射近似圓的左右旋偏振光，橢圓率絕對值為44°，入射角錐后失偏僅為10°，經(jīng)糾偏后橢圓率絕對值保持在40°，橢圓率僅下降40°;未糾偏時方向角依賴入射角錐的方式，經(jīng)糾偏后因十分接近于圓偏振態(tài)，方向角傾向于隨機方向。

4結論

本文利用角錐瓊斯矩陣對應的實特征向量，給出一種外加晶片的角錐糾偏方案。利用旋轉公式，給出傾斜角度下角錐的瓊斯矩陣，同時證明對任意傾斜擺放角度的角錐，均可使用半波片和延遲器，實現(xiàn)所有反射次序下正入射角錐保偏。該方式依賴于折射率，因此可適用于較寬波長范圍內(nèi)的糾偏，與傳統(tǒng)方式只能對線偏振態(tài)保偏相比，該方式可用于橢圓偏振光的保偏。這種糾偏方式為實現(xiàn)高性能偏振態(tài)保持的角錐腔固體激光器提供了參考。