新型偏振風(fēng)成像干涉儀中偏振化方向?qū)φ{(diào)制度和干涉強(qiáng)度的影響研究＊

張淳民 朱蘭艷

(西安交通大學(xué)理學(xué)院,非平衡物質(zhì)和量子調(diào)控教育部重點(diǎn)實驗室,西安 710049)

新型偏振風(fēng)成像干涉儀中偏振化方向?qū)φ{(diào)制度和干涉強(qiáng)度的影響研究＊

張淳民?朱蘭艷

(西安交通大學(xué)理學(xué)院,非平衡物質(zhì)和量子調(diào)控教育部重點(diǎn)實驗室,西安 710049)

(2009年3月17日收到;2009年5月14日收到修改稿)

簡要論述了新型偏振風(fēng)成像干涉儀的原理;分析了偏振風(fēng)成像干涉儀的各光學(xué)部件的偏振化方向?qū)φ{(diào)制度和干涉強(qiáng)度的影響;給出了起偏器的偏振化方向、干涉儀兩臂λ/4波片及出射位置處λ/4波片的光軸取向偏離理想方向時干涉儀調(diào)制度和干涉強(qiáng)度的理論表達(dá)式;采用計算機(jī)模擬分別給出了調(diào)制度隨各偏角變化的曲面圖及風(fēng)速、溫度反演誤差隨各偏角變化的曲線圖;給出了溫度精度為5 K、風(fēng)速精度為20 m/s時偏振化方向的誤差容限.該研究對新型偏振風(fēng)成像干涉儀的研究、研制提供了一定的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo),對高層大氣光學(xué)被動探測以及空間探測、對地觀測都具有科學(xué)意義和應(yīng)用前景.

新型偏振風(fēng)成像干涉儀,偏振化取向,調(diào)制度,干涉強(qiáng)度

PACC:4230L,0760,4225K,4225J

1.引言

利用干涉成像光譜技術(shù),通過極光或氣輝的多普勒頻移來探測高層大氣(80—300 km)風(fēng)場,從而反演出高層大氣風(fēng)場的速度場、溫度場、壓力場等信息,已成為當(dāng)今空間探測的熱門研究領(lǐng)域和前沿學(xué)科[1—7].目前在高層大氣被動探測領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的是加拿大、美國和法國.1991年加拿大空間署CRESS、美國航空航天局NASA和法國空間中心CNRS聯(lián)合研制了國際上首臺風(fēng)成像干涉儀——廣角邁克耳遜干涉儀W IND II(the windimaging interferometer ontheuppera tmosphereresearch satellite)[8,9],搭載于上層大氣研究衛(wèi)星上,開始了對高層大氣的被動探測,獲知了許多有用的信息. W IND II開創(chuàng)了星載高層大氣被動探測的先河,此后國際上相繼對高層大氣風(fēng)場探測進(jìn)行了更深入、更廣泛的研究.目前國際上最新的風(fēng)成像干涉儀仍是加拿大CRESS和美國NASA正在研制的用于紅外譜段的同溫層風(fēng)成像干涉儀S W IFT(the stratosphericwindinterferometerfortransport studies)[10],它的探測高度為20—40 km,主要用于大氣層的臭氧探測,預(yù)計在2010年發(fā)射升空.在國內(nèi),西安交通大學(xué)和中國科學(xué)院西安光學(xué)機(jī)械研究所聯(lián)合課題組對高層大氣風(fēng)場被動探測的原理、方案及實驗裝置進(jìn)行了深入的研究[11—25].

高層大氣風(fēng)場被動探測的基本原理是干涉成像光譜技術(shù)和電磁波的多普勒頻移,利用大氣和探測器的相對運(yùn)動,測量產(chǎn)生的多普勒頻移量,即可反演出風(fēng)場的速度、溫度等信息[1,14].但是頻移量很小,不易直接測量.人們改用測量位相的變化,具體是在高級次(105以上)的干涉條紋上,探測一個周期內(nèi)位相按π/4遞增的四個強(qiáng)度值,也就是光程差按λ/4遞增的四個強(qiáng)度值,就可以反演出高層大氣速度場、溫度場和壓力場的信息,稱為“四強(qiáng)度探測法”[1—4,9].

目前國際上研制成熟的風(fēng)成像干涉儀都是基于邁克耳遜干涉儀為原型的動鏡掃描型的干涉成像儀,它通過動鏡掃描使光程差以λ/4遞增四次,依次獲得四個強(qiáng)度值[1,8,9].在反演風(fēng)場信息時,認(rèn)為在探測四強(qiáng)度值的時間內(nèi),風(fēng)場的信息是不變的.實際上,在不同時的四次測量中,風(fēng)場信息已經(jīng)變化,對于快速變化的極光和氣輝來說,這種探測誤差很大,因不能一次獲取四個強(qiáng)度值,故不能實現(xiàn)實時、同時探測.這種基于動鏡掃描型的風(fēng)成像干涉儀的另一個缺點(diǎn)是含有運(yùn)動部件,不適合航空航天環(huán)境探測.

本課題組正在研究和研制一種新型的風(fēng)成像干涉儀,它是基于邁克耳遜干涉儀原型的一種靜態(tài)、無動鏡的干涉成像儀[26—30],它取消了普通邁克耳遜干涉儀動鏡掃描的結(jié)構(gòu),通過干涉儀外部的偏振陣列來改變光程差,一次獲得四個強(qiáng)度值.這種干涉儀具有兩個顯著的優(yōu)點(diǎn):一是無運(yùn)動部件,適合航空航天探測.二是能進(jìn)行實時、同時探測,一次獲得四個強(qiáng)度值,測量誤差小,適合快速變化的極光與氣輝探測.本文詳細(xì)介紹了新型偏振風(fēng)成像的基本結(jié)構(gòu)和測量大氣風(fēng)場的基本原理,并對各光學(xué)部件的偏振化方向?qū)Ω缮鎯x的調(diào)制度、干涉強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析.

在風(fēng)成像干涉儀中,調(diào)制度和干涉強(qiáng)度是衡量儀器性能指標(biāo)的重要參數(shù),不僅影響干涉圖的清晰度和信噪比,也直接影響了風(fēng)場速度和溫度的反演精度.在新型偏振風(fēng)成像干涉儀的實際裝調(diào)過程中,由于各光學(xué)部件的偏振化方向可能會偏離理想方向,從而對調(diào)制度和干涉強(qiáng)度產(chǎn)生誤差,造成對風(fēng)場實際信息的探測誤差.本文從理論和仿真兩方面分析了在偏振風(fēng)成像干涉儀中,偏振片的偏振化方向、λ/4波片的光軸取向偏離理想方向時,對干涉儀調(diào)制度、干涉強(qiáng)度,進(jìn)而對風(fēng)場速度、溫度的影響.從風(fēng)速、溫度反演的精度考慮,給出了偏振化方向的誤差容限.這對新型偏振風(fēng)成像干涉儀用于高層大氣風(fēng)場被動探測的裝置研制和裝調(diào)起到了一定的指導(dǎo)作用.

2.新型偏振風(fēng)成像干涉儀的原理

1980年Title和Ramsey[27]設(shè)計了一個廣角偏振邁克耳遜干涉儀,它是偏振風(fēng)成像干涉儀的核心部件,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.它主要由起偏器P1、偏振分束器、視場補(bǔ)償玻璃、干涉儀兩臂位置的λ/4波片(波片1,2)及反射鏡、出射位置的λ/4波片(波片3)、偏振片(檢偏器)P2組成[27].

進(jìn)入干涉儀的光線先進(jìn)入起偏器P1(偏振化方向在xy平面且與x,y軸正向成45°角),變?yōu)橐皇€偏振光,再通過偏振分束器,產(chǎn)生相等分量的垂直偏振光s和水平偏振光p,垂直分量s偏振光被偏振分束器反射進(jìn)入干涉儀的臂1,水平分量p偏振光被偏振分束器透射進(jìn)入干涉儀的臂2.

圖1 偏振風(fēng)成像干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖

在干涉儀兩臂的位置各有一個λ/4波片(光軸在波片表面內(nèi),且與x,y軸正向成45°角)和一個反射鏡.入射光通過λ/4波片后,被平面鏡反射回來,再通過這個λ/4波片,這時光的偏振態(tài)轉(zhuǎn)動了90°.則臂1處入射的垂直分量s波出射時轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫蟹至縫波,然后被偏振分束器透射;臂2處入射的平行分量p波出射時轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈至縮波,被偏振分束器反射[27—30].

圖2形象地展示了以上光通過偏振風(fēng)成像干涉儀時偏振態(tài)的改變過程[27](為了更好地表現(xiàn)光通過干涉儀兩臂后偏振態(tài)的改變,在圖中將反射光線作了橫向處理).入射光經(jīng)過起偏器P1后,變?yōu)橐皇€偏振光.該線偏振光可分解為水平分量p波和垂直分量s波.通過偏振分束器以后,垂直分量s波被反射進(jìn)入臂1,水平分量p波被透射進(jìn)入臂2.它們各自經(jīng)過兩臂的λ/4波片和反射鏡,偏振態(tài)改變了90°,再次通過偏振分束器,最后到達(dá)出射位置的λ/4波片.通過偏振分束器后的兩束線偏振光再通過出射位置的λ/4波片(圖1中波片3)(光軸在xy平面內(nèi),與x,y軸正向成45°角),變成兩束圓偏振光,最后進(jìn)入偏振片P2(檢偏器),變成振動方向相同(沿P2的偏振化方向)的兩束線偏振光,最后在探測平面相遇產(chǎn)生干涉.

如果波長為λ的光入射到干涉儀上,產(chǎn)生兩束光程差為Δ的出射光.當(dāng)檢偏器P2的偏振化方向與它前面的出射位置的λ/4波片3的快軸方向成θ角時,計算得知,透射光強(qiáng)[27]

圖2 偏振態(tài)的改變示意圖

從(1)式可以看出,此時干涉儀的調(diào)制度為1.由于靜態(tài)風(fēng)成像干涉儀的光程差Δ基本固定,從(1)式可知,改變θ角也可以改變光強(qiáng),所以改變θ角相當(dāng)于改變了光程差Δ,都可以達(dá)到改變干涉強(qiáng)度的目的.

在偏振風(fēng)成像干涉儀用于大氣風(fēng)場探測時,我們通過四強(qiáng)度法來反演大氣風(fēng)場的速度場和溫度場的信息[1—3].在高層大氣(80—300 km)風(fēng)場中,氣輝的譜線一般為高斯線型,其光譜分布[1—3]為

式中σ為波數(shù),B0為σ等于中心波數(shù)σ0時光源的輻射強(qiáng)度,w為半高寬,w=[(7.16×10-7)2σ20T/ M]1/2,M為原子量.

我們知道干涉強(qiáng)度為B(σ)Iθ的傅里葉變換,即,將(1)和(2)式代入積分可得

當(dāng)檢偏器P2的偏振化方向夾角θ分別取θ=0, π/4,π/2,3π/4時(相當(dāng)于光程差以λ/4遞增),可得四個強(qiáng)度值

聯(lián)立以上四個強(qiáng)度值的表達(dá)式,可得

探測四個強(qiáng)度值I(θ=0),I(θ=π/4),I(θ=π/2),I(θ=3π/4)以后,由(6)式可得出V,通過V=exp(-QTΔ2)反演出風(fēng)場的溫度場T;由(7)式可計算出φ,通過φ=演出風(fēng)場的速度場v.這就是偏振風(fēng)成像干涉儀利用四強(qiáng)度法測量風(fēng)場的基本原理.在新型偏振風(fēng)成像干涉儀中,檢偏器P2可以用4個偏振片組成的偏振陣列來代替,4個偏振片的偏振片方向分別取θ=0,π/4,π/2,3π/4,這樣我們在探測時,一次可以獲取4個強(qiáng)度值,可實現(xiàn)同時、實時探測.

3.偏振化方向?qū)φ{(diào)制度的影響

3.1.偏振化方向?qū)φ{(diào)制度影響的理論計算

上一部分?jǐn)⑹隽似耧L(fēng)成像干涉儀的基本結(jié)構(gòu)和測量風(fēng)場的基本原理,我們知道V= exp(-QTΔ2),即調(diào)制度直接決定了溫度的反演.實際探測中,儀器調(diào)制度U與譜線調(diào)制度V的乘積共同決定了溫度的反演,即UV=exp(-QTΔ2).這一節(jié)我們將對儀器調(diào)制度U進(jìn)行分析.

我們把上一部分中各光學(xué)部件的光軸取向稱為理想方向,而實際的偏振風(fēng)成像干涉儀由于裝調(diào)等各種原因而處于非理想狀態(tài),比如,偏振片的偏振化方向偏離理想方向、λ/4波片的光軸取向偏離理想方向、偏振分束器性能不理想等,因此對干涉儀的調(diào)制度和干涉強(qiáng)度產(chǎn)生影響.

假定偏振分束器具有完全的偏振能力(即對垂直分量s波完全反射,對水平分量p波完全透射),我們來討論偏振片的偏振化方向、三個λ/4波片的光軸取向?qū)Ω缮鎻?qiáng)度和調(diào)制度的影響.

設(shè)起偏器P1的偏振化方向偏離理想方向成α角,對α角的正負(fù)規(guī)定如下:沿z軸方向看,偏離理想方向順時針方向為正,逆時針方向為負(fù)(以后分析其他光學(xué)部件的偏振化方向誤差夾角也照此規(guī)定[28,29]),如圖3所示.

圖3 起偏器P1偏角示意圖

一束平行光進(jìn)入起偏器P1后,變?yōu)檠豍1偏振化方向振動的線偏振光,然后垂直入射到偏振分束器上.設(shè)線偏振光光振幅為A,進(jìn)入偏振分束器以后,可分解成兩個振動方向垂直的分量.垂直振動分量s波(沿y軸方向振動)完全反射進(jìn)入干涉儀的臂1,水平振動分量p波(沿x方向振動)完全透射進(jìn)入干涉儀的臂2.其振幅分別為

首先對進(jìn)入干涉儀的臂1的光波(振幅為Ay)進(jìn)行討論.垂直振動分量s波進(jìn)入臂1后,先通過λ/4波片,設(shè)λ/4波片的光軸取向偏離理想方向的夾角為β1.光在λ/4波片的入射面上所產(chǎn)生的e光和o光同相位,其振幅分別為Ae1和Ao1.穿過λ/4波片后,附加一個相位延遲δ,合成光矢量端點(diǎn)的軌跡方程為

其中,

λ/4波片對e光和o光的相位延遲取δ=π/2,則(10)式化簡為

(13)式是一個標(biāo)準(zhǔn)橢圓方程,可見線偏振光通過λ/4波片后,變?yōu)橐粋€長、短半軸分別為Ao1,Ae1的橢圓偏振光.經(jīng)過平面鏡反射后,再次通過λ/4波片,此時λ/4波片的光軸與橢圓偏振光的主軸方向一致,產(chǎn)生的e光和o光相位再次延遲δ=π/2,也就是兩次通過λ/4波片,相位總延遲為π,則出射光的電矢量分別為

由(14),(15)式可知,再次通過λ/4波片后變?yōu)橐痪€偏振光,是Ee1和Eo1的合成.線偏振光再通過偏振分束器,只有沿x方向振動的分量能透射出去,則透射光的電矢量為

將(14),(15)式代入(16)式,化簡得

同理,我們對進(jìn)入干涉儀臂2的光波進(jìn)行討論,設(shè)臂2處的λ/4波片的光軸取向偏離理想方向的夾角為β2,平行振動分量p波進(jìn)入λ/4波片后變?yōu)橐粰E圓偏振光,其矢量端點(diǎn)的軌跡方程為

其中

該橢圓偏振光通過平面鏡反射后,再次通過λ/4波片,由于λ/4波片的光軸與橢圓偏振光的主軸方向一致,則變?yōu)橐痪€偏振光,是Ee2和Eo2的合成,

線偏振光通過偏振分束器后,只有沿y方向振動的分量能反射出去,則反射光的電矢量為

將(21),(22)式代入(23)式,化簡得綜合以上分析可得,從偏振分束器出射的兩束光都為線偏振光,經(jīng)過臂1后出射的光沿x方向振動,經(jīng)過臂2出射的光沿y軸方向振動,其振幅分別為Ex1,Ey2,其表達(dá)式見(17),(24)式.這兩束光經(jīng)過干涉儀兩臂以后,相位差為δ′=2π Δ/λ,其中Δ為干涉儀的光程差,是一個定值,λ為入射光的波長.

這兩束線偏振光經(jīng)過λ/4波片3后,若波片3的光軸取向是理想方向(在xy平面內(nèi),與x,y軸正方向夾角成45°),則兩束光出射后變?yōu)閳A偏振光.實際情況中,由于波片3的光軸取向與理想方向有偏差,誤差角記做γ,此時出射的兩束光為橢圓偏振光.其電矢量在光軸取向上的投影分別為

這兩束橢圓偏振光,經(jīng)過偏振片P2(檢偏器),光強(qiáng)應(yīng)為沿P2偏振化方向振動的兩個同頻率振動分量的相干疊加.設(shè)檢偏器P2的初始位置在xy平面內(nèi),與x,y軸正方向夾角成45°,將P2的實際偏振化方向與它前面λ/4波片3的快軸方向的夾角記做θ(與初始位置相比,仍規(guī)定順時針旋轉(zhuǎn)為正,逆時針為負(fù)).

則由臂1位置出射的那束光,經(jīng)過P2后,電矢量為

由臂2位置出射的那束光,經(jīng)過P2后,電矢量為

這兩束線偏振光,在CCD的探測平面相遇,產(chǎn)生干涉條紋.其調(diào)制度為

將(25)—(30)式代入(31)式化簡,得到調(diào)制度的理論表達(dá)式

上式即是儀器調(diào)制度U隨各光學(xué)部件偏振化取向α,β1,β2,γ,θ變化的理論表達(dá)式.

3.2.偏振化方向?qū)φ{(diào)制度的影響分析

(32)式中,調(diào)制度U是各光學(xué)部件偏振化取向α,β1,β2,γ,θ的函數(shù),即調(diào)制度受偏振化取向的影響.雖然在光學(xué)裝調(diào)過程中,偏振化方向的誤差角都不應(yīng)該很大,但是由于偏振片和波片可以旋轉(zhuǎn),所以我們在大角度范圍內(nèi)進(jìn)行分析討論.下面分析調(diào)制度U隨α,β1,β2,γ,θ的變化情況.我們做出調(diào)制度隨各誤差角的變化圖,其中縱坐標(biāo)表示調(diào)制度,橫坐標(biāo)表示元件偏振化方向偏離理想方向的誤差角.

1)所有器件的偏振化方向均為理想方向時,即α,β1,β2,γ都為零,檢偏器P2的θ可變,為任意值,此時U=1,即全對比,此時干涉條紋最清晰.

2)考慮起偏器的偏振化方向誤差角α對調(diào)制度U的影響,起偏器P1的偏振化方向不理想,其他器件均為理想狀態(tài),即α≠0,β1,β2,γ都為零,檢偏器的旋轉(zhuǎn)角θ任意,此時采用Matlab軟件做出它們的關(guān)系曲線.從圖4可以看出,調(diào)制度U的周期所以我們區(qū)間內(nèi)來討論.當(dāng)α=0時,U= 1,即全對比,此時干涉條紋最清晰;當(dāng)α=±π時, 4調(diào)制度U=0,此時沒有干涉條紋出現(xiàn).

從溫度測量的精度來考慮,需要儀器具有較高的調(diào)制度.若我們探測時選取氧原子630.0 nm的氣輝譜線為光源,干涉儀的基準(zhǔn)光程差Δ取4.47 cm(滿足cos(2π Δ σ0)=1),經(jīng)計算,要使溫度的精度達(dá)到10 K,則儀器調(diào)制度U為0.99以上.在此將儀器調(diào)制度U為0.99作為討論偏振化方向誤差的容限.

圖4 調(diào)制度U隨α的變化曲線

由圖4可知,調(diào)制度在0.99以上,則起偏器與理想方向的偏角必須控制在在±2°之內(nèi).要得到高的調(diào)制度,偏角要盡可能地小,即起偏器的偏振化方向要盡可能地接近理想方向.

3)考慮干涉儀兩臂位置的λ/4波片的偏振化方向誤差角β1,β2對調(diào)制度U的影響,此時β1,β2≠0,α,γ為零,檢偏器的旋轉(zhuǎn)角θ任意,U=調(diào)制度U隨著干涉儀兩臂位置的λ/4波片的偏振化方向誤差角β1,β2變化的關(guān)系曲線如圖5所示.

圖5 調(diào)制度U隨著β1,β2的變化關(guān)系

從圖5中可以看出,當(dāng)β1=±β2時,調(diào)制度為1,全對比,干涉條紋最清晰.即當(dāng)兩臂位置的λ/4波片的誤差偏角的大小相等時,對干涉圖的調(diào)制度沒有影響,調(diào)制度的值為1.當(dāng)β1時,β為任2意值,或者β2為任意值時,此時U=0.所以,要獲得較高的調(diào)制度,必須使誤差角β1,β2的值接近,且若要調(diào)制度U的值在0.99以上,則滿足cos2β1≥0.87cos2β2,或者cos2β2≥0.87cos2β1.

圖6 調(diào)制度U隨著γ,θ的變化關(guān)系

4)考慮出射位置λ/4波片3的偏振化方向誤差角γ對調(diào)制度U的影響,此時γ≠0,α,β1,β2都為零,旋轉(zhuǎn)角θ任意,此時U=調(diào)制度U隨著出射位置λ/4波片3的偏振化方向誤差角γ的變化關(guān)系如圖6所示.從圖6可以看出,此時調(diào)制度U不僅與γ有關(guān),還隨著旋轉(zhuǎn)角θ值的不同而不同.當(dāng)γ=0時,U=1,此時干涉條紋最清晰.所以要得到更高的調(diào)制度,誤差角γ要盡可能的小.計算可知,要使調(diào)制度在0.99以上,此時出射位置λ/4波片3的偏振化方向誤差角γ必須控制在±2°之內(nèi).

4.偏振化方向?qū)Ω缮鎻?qiáng)度的影響

4.1.偏振化方向?qū)Ω缮鎻?qiáng)度影響的理論計算

下面討論偏振化方向偏離理想方向時對干涉強(qiáng)度的影響.

從干涉儀兩臂出射的兩束光進(jìn)入λ/4波片3以后,出射光在波片的e軸和o軸方向的電矢量的振幅見(25)—(28)式.

兩束光通過檢偏器P2后,

由于干涉強(qiáng)度I=EE＊,將(25)—(28)式代入,干涉強(qiáng)度可化簡為

為方便計算,我們將(34)式簡化為

其中,

將高斯線型函數(shù)(2)和(35)式代入I(Δ)=進(jìn)行傅里葉變換,得到光譜的干涉強(qiáng)度

風(fēng)場探測中,由于粒子以一定速度v移動,考慮電磁波的多普勒效應(yīng),(36)式可變?yōu)?/p>

(38)式是譜線的干涉強(qiáng)度I(Δ)受偏振化方向α,β1, β2,γ的影響的理論表達(dá)式.

4.2.偏振化方向?qū)Ω缮鎻?qiáng)度的影響分析

由(38)式可知,探測到的譜線的干涉強(qiáng)度I(Δ)受偏振化方向α,β1,β2,γ的影響.也就是說,當(dāng)偏振化方向處于非理想狀態(tài)時,偏振陣列P2的偏振化方向滿足θ=0,π/4,π/2,3π/4時得到的四個強(qiáng)度值是存在誤差的.由(6),(7)式可知,四個強(qiáng)度值的誤差,將會對風(fēng)場反演的風(fēng)速、溫度產(chǎn)生影響.我們通過計算機(jī)模擬,給出偏振化方向誤差角對風(fēng)速、溫度影響的誤差曲線.

假定探測時選取氧原子630.0 nm的氣輝譜線為光源,干涉儀的基準(zhǔn)光程差Δ取4.47 cm(滿足cos(2π Δ σ0)=1).當(dāng)偏振化方向α,β1,β2,γ的誤差角都在2°以內(nèi)時,給出風(fēng)速、溫度的誤差值曲線,如圖7,8所示.

圖7中橫坐標(biāo)表示偏振化方向偏離理想方向的誤差角度,縱坐標(biāo)表示所測量風(fēng)速的誤差值(單位是m/s).由圖7可以看出,偏振化方向?qū)μ綔y風(fēng)速的影響很大.當(dāng)所有的偏振化方向的誤差控制在±1°時,風(fēng)速精度能達(dá)到20 m/s.

圖8表示偏振化方向?qū)y量溫度誤差的影響,由圖也可以看出,當(dāng)所有偏振化方向誤差角控制在±1°時,溫度精度能達(dá)到5 K.

圖7 偏振化方向?qū)︼L(fēng)速的影響誤差

圖8 偏振化方向?qū)囟鹊挠绊懻`差

5.結(jié)論

本文研究了新型偏振風(fēng)成像干涉儀中各光學(xué)部件偏振化方向偏離理想方向?qū)φ{(diào)制度和干涉強(qiáng)度的影響,給出了調(diào)制度和干涉強(qiáng)度隨偏振化方向誤差角變化的理論表達(dá)式,采用計算機(jī)模擬分別給出了調(diào)制度、風(fēng)場速度及溫度隨各偏角變化的曲面圖和曲線圖,分析得到了以下結(jié)論.

1)光學(xué)部件的偏振化方向誤差對偏振風(fēng)成像干涉儀調(diào)制度的影響如下:

①通過振幅投影方法,得出了調(diào)制度隨各光學(xué)部件偏振化方向變化的理論表達(dá)式.

②當(dāng)各光學(xué)部件的偏振化方向均為理想方向時,調(diào)制度U=1,此時為全對比,干涉條紋最清晰.所以在放置光學(xué)部件時,應(yīng)使誤差角盡可能的小,偏振化方向盡可能接近理想方向,以達(dá)到較高的調(diào)制度.

③當(dāng)溫度精度達(dá)到10 K時,起偏器的偏振化方向誤差角必須滿足α≤±2°;干涉儀兩臂的λ/4波片光軸取向的誤差角必須滿足cos2β1≥0.86cos2β2,或者cos2β2≥0.86cos2β1;出射位置處的λ/4波片的偏振化方向偏角必須滿足γ≤±2°.

2)光學(xué)部件的偏振化方向誤差對干涉強(qiáng)度的影響如下:

①通過雙光束干涉理論,得出了干涉強(qiáng)度隨各部件偏振化方向誤差角的理論表達(dá)式.

②給出了偏振化方向?qū)︼L(fēng)速、溫度的反演誤差曲線.當(dāng)所有的偏振化方向的誤差控制在±1°時,風(fēng)速精度能達(dá)到20 m/s,溫度精度能達(dá)到5 K.

本文的研究工作將對新型風(fēng)成像干涉儀的裝置研制、裝調(diào)提供一定的理論基礎(chǔ)和實踐指導(dǎo).

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Influence of the polarization direction on the modulation depth and interferential intensity of a new polarizing a tmospheric Michelson interferometer＊

Zhang Chun-Min?Zhu Lan-Yan

(Key Laboratory forNon-equilibrium Condensed Matter and Quantum Engineering of M inistry of Education,School of Science,
Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

17 March 2009;revised manuscript

14 May 2009)

The principle of the polarizing atmospheric Michelson interferometer is introduced,the influence of the polarization directions of all the components on its interferential intensity and modulation depth is discussed,and the dependence of intensity and modulation depth on the deviation is calculated with the polarization direction deviating from the ideal direction.We analyze the influence on the intensity and modulation depth when the polarization directions of the polarizer, the three quarter-wave plates and the analyzer deviate from the ideal direction.The changing curves ofmodulation depth, wind velocity and the temperature with the deviation of the polarization direction are obtained.We also give the tolerances of all the polarization directions.These results would be helpfull for theoretical research and development of the new polarizing atmosphericMichelson interferometer.It also has scientific value and wide prospect formeasuringwinds in the thermosphere and for space measurement.

polarizing atmospheric Michelson interferometer,polarization direction,modulation depth,interferential intensity

＊國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(批準(zhǔn)號:40537031)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(批準(zhǔn)號:2006AA12Z152)、國防基礎(chǔ)科學(xué)研究基金(批準(zhǔn)號:A1420080187)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:40875013,40375010,60278019)、陜西省科技攻關(guān)計劃(批準(zhǔn)號:2001K06-G12, 2005K04-G18)和西安交通大學(xué)“985”二期電子信息平臺資助的課題.

?E-mail:zcm@mail.xjtu.edu.cn

＊Project supported by the Key Program of the NationalNatural Science Foundation of China(GrantNo.40537031),the National High Technology Research and Development Program of China(GrantNo.2006AA12Z152),the National Defence Basic Scientific Research Foundation of China (GrantNo.A1420080187),the NationalNatural Science Foundation of China(GrantNos.40875013,40375010,60278019),the Science and Technology Key Program of Shaanxi Province,China(GrantNos.2001K06-G12,2005K04-G18),and the Second Phase of the“985 Project”of the Electronic Information Platform of Xi’an JiaotongUniversity,China.

?E-mail:zcm@mail.xjtu.edu.cn