别汉棱镜偏振像差的数字化检测方法研究

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别汉棱镜是由施密特屋脊棱镜和半五棱镜组合而成。近年的研究发现,线偏振光经过别汉棱镜后出射的是椭圆偏振光,而且,是两个不同的椭圆偏振态——偏振像差。导致偏振像差的原因是:别汉棱镜中施密特屋脊棱镜的两个不同传播路径,两个路径屋脊面的空间方位差别导致了偏振传输特性的差异。本文的研究是针对别汉棱镜中的施密特屋脊棱镜的偏振像差的检测和表征而展开的,目的是寻找定量检测施密特屋脊棱镜偏振像差的方法。本文研究工作以矩阵光学和物理光学为理论基础,通过对光波偏振态,光学元件的Mueller矩阵和Jones矩阵的表征方法的对比分析,明确了用Mueller矩阵分析完全偏振光、自然光和部分偏振光经过施密特棱镜后的偏振状态变化是较为适宜的方法,用此方法同时在理论和实验两方面证实了部分偏振光经施密特屋脊棱镜后仍是部分偏振光,但是两个不相同的部分偏振光。研究了光学元件的Mueller矩阵和Jones矩阵的测量方法,以施密特屋脊棱镜为样品,对其Mueller矩阵和Jones矩阵进行了测量,用测量出的Mueller矩阵和Jones矩阵与理论得到的矩阵进行对比,明确了这两种矩阵测量方法都是可行性的。经过对两种测量方法的对比,发现Mueller矩阵相对于Jones矩阵其测量步骤繁多,因此本文中以Jones矩阵作为测量对象,用Jones矩阵表征和检测施密特屋脊棱镜的偏振像差。根据施密特屋脊棱镜的特殊结构,在线偏振光垂直入射经过施密特屋脊棱镜的条件下,根据两路径光线偏振追迹得到的Jones矩阵的对比,发现两路径Jones矩阵具有主对角线相同,副对角线相差π位相特点,因此,只需要测量其中一个路经的矩阵;又依据矩阵知识,以及矩阵因子在偏振衍射光强表达式中的作用,发现:施密特屋脊棱镜Jones矩阵四个因子中,只有一个振幅因子(即文中的B因子)是独立的。因此,对于施密特棱镜Jones矩阵的测量,其实就只是对一个振幅因子和两个相位因子的测量。实验测量了三个不同施密特屋脊棱镜样品,得到了三个样品的Jones矩阵。实验验证了B=0时,施密特屋脊棱镜没有偏振像差结论的正确性。考虑到施密特屋脊棱镜偏振像差检测和表征的直观性,搭建了检测衍射光斑的实验系统,实验得到:没有镀膜的裸棱镜的零级光斑分裂为两瓣,中心有暗区;镀膜一般的棱镜也发生了分裂但是分裂程度比裸棱镜弱一些;镀膜非常好的棱镜没有发生分裂是一个完整的艾里斑。拍摄到衍射光斑与用Jones矩阵元分析衍射光强分布的结果是一致的。最后利用B因子和衍射图之间关系的唯一性,编写了检测B因子画出衍射图的计算程序,由该界面可以实现任意B因子,得到对应的衍射光强分布图。同时还编写了由衍射图实现三维光强分布的程序。至此,别汉棱镜的偏振像差既能以比较直观的衍射光强分布图检测和表征,也能用其Jones矩阵因子进行检测和表征,可以同时满足偏振像差检测和校正工作的需要。
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