僅使用偏振片精確測量偏振態(tài)

白云峰，閆照宇，浦合力

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院 光電子研究所，黑龍江 哈爾濱 150050)

僅使用偏振片精確測量偏振態(tài)

白云峰，閆照宇，浦合力

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院 光電子研究所，黑龍江 哈爾濱 150050)

提出僅使用偏振片進(jìn)行偏振態(tài)精確測量的方法，相對傳統(tǒng)偏振態(tài)測量方法，本方法所需裝置簡單、操作簡便，且不僅可以測量一束光的整體偏振態(tài)，還可以測量光束截面的偏振態(tài)分布。通過旋轉(zhuǎn)1片偏振片，測量透射光強(qiáng)，測量除圓偏振光和自然光以外的任何種類偏振光。如需區(qū)分圓偏振光和自然光，則需增加1片非理想偏振片于第一片偏振片之前，此時圓偏振光經(jīng)過非理想偏振片變成橢圓偏振光，而自然光變成部分偏振光，然后重復(fù)上訴方法即可區(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光。這種測量偏振態(tài)的方法非常適用于光刻系統(tǒng)中，不僅節(jié)省光刻系統(tǒng)中偏振檢測系統(tǒng)的成本，也提高檢測精度和實用性。

偏振；偏振片；部分偏振光

研究對入射偏振光偏振態(tài)的檢測已經(jīng)很多年了，其中斯托克斯參數(shù)測量法是測量偏振態(tài)最常用的方法。它的測量過程就是多次調(diào)節(jié)偏振片的光軸和1/4波片，然后測量投射光的強(qiáng)度，從而計算出斯托克斯參數(shù)。但是由于1/4波片的限制，只能測量與1/4波片相對應(yīng)的波長[1-5]。

另一個方法是對入射光分振幅測量入射光的斯托克斯參數(shù)，通過對入射光的分振幅把入射光分成四束光，每一束光對應(yīng)一個光電探測器，4個光電探測器的輸出能夠反映入射光的斯托克斯矢量。然后通過儀器矩陣和輸出信號計算出入射光的偏振態(tài)。但是這個方法依然把波長限制在很窄的范圍內(nèi)[6-10]。

傳統(tǒng)的偏振片經(jīng)常用來產(chǎn)生線性偏振光，并把線性偏振光從橢圓偏振光和部分偏振光中區(qū)分出來[1]。據(jù)知偏振片是不能用來區(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光的,但是在本文中補(bǔ)充了這一點，僅僅應(yīng)用偏振片來區(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光。通過轉(zhuǎn)動1片偏振片，測量出圓偏振光和自然光以外的偏振態(tài)。另一片偏振片放在第一片偏振片后面，然后圓偏振光和自然光就能夠被區(qū)分開。

1 理 論

圖1 通過旋轉(zhuǎn)偏振片進(jìn)行偏振測量

部分偏振光透過一個非理想的偏振片，其中出射光中振動方向沿透光軸出射光強(qiáng)為

(1)

式中：θ為傳輸軸和y軸的角度，I0為自然光強(qiáng)。

出射光中振動方向垂直于透光軸出射光強(qiáng)為

(2)

其中:n是消光系數(shù)。

式(1)與式(2)的加和就是部分偏振光通過偏振片的總光強(qiáng)

(3)

2 分析及討論

如果Ex≠Ey且cosα≠ 0，通過旋轉(zhuǎn)偏振片，可以得到足夠多的等式計算Ex,Ey,α以及I0。當(dāng)I0≠ 0時，入射光是部分偏振光，否則入射光是完全偏振光。

通過對式(3)的分析，當(dāng)cosα=0時,依據(jù)式(3)不能分辨橢圓偏振光和部分偏振光。當(dāng)Ex=Ey時，通過式(3)無法計算出Ex,Ey,α和I0值。

針對cosα=0的情況，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系即可解決橢圓偏振光和部分偏振光的區(qū)分問題。如圖2所示，坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向是定義的，Ey-O-Ex坐標(biāo)系和Ey′-O-Ex′坐標(biāo)系中的α是不一樣的，那么cosα值也不應(yīng)為0。因此,只需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，重新依據(jù)式(3)來計算并區(qū)分橢圓偏振光和部分偏振光，且不用重復(fù)實驗測量。

圖2 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)

即使這樣，當(dāng)Ex=Ey時，依舊不能區(qū)分圓偏振光和自然光。這時就需要添加另一個光學(xué)原件，一般來講，波片是一個非常好的選擇，它能改變α的值。但是存在一個問題，比如說，一個1/4波片只對應(yīng)于波長為600 nm的光，同時也是波長為300 nm的光的半波片。圓偏振光和自然光通過半波片依舊無法區(qū)分開。

這時把目標(biāo)轉(zhuǎn)向消光系數(shù)較小的偏振片，當(dāng)圓偏振光通過此種偏振片時會轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光，而自然光會轉(zhuǎn)變成部分偏振光，就能區(qū)分圓偏振光和自然光了。

如圖3所示，旋轉(zhuǎn)1片偏振片就可以計算得到二極管激光器發(fā)出的光的偏振態(tài)，虛線是理論計算得出的圖形，三角形的點是實驗測得的數(shù)據(jù)，它們基本吻合。

圖3 理論數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)光的偏振態(tài)

此外，如果使用CCD探測器采集光強(qiáng)，每一個CCD的像素都是相互獨立的，通過分別計算這些像素的光強(qiáng)而得到對應(yīng)光線的偏振態(tài)，就可以得到一個平面光的偏振態(tài)分布。

此種方法可以方便移植到激光相關(guān)設(shè)備中，進(jìn)行激光的偏振態(tài)測量，比如光刻系統(tǒng)和光纖的相關(guān)研究等[12]。

3 結(jié)束語

本文主要研究了用偏振片來測量偏振態(tài)，實驗簡單、成本低，而且能夠測量光的偏振分布。首先旋轉(zhuǎn)1片偏振片然后測量輸出光，根據(jù)式(3)計算得出Ex,Ey,α和I0的值。如果cosα=0，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后依據(jù)式(3)計算即可，而不用重新進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。當(dāng)cosα= 0和Ex=Ey，那就意味著入射光是圓偏振光或者是自然光，這時需要另一個非理想的偏振片加到第一個偏振片的后面，此時圓偏振光就轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光，自然光就轉(zhuǎn)變成部分偏振光，那么圓偏振光和自然光就可以區(qū)分開。這種偏振態(tài)測量方法只需要簡單的設(shè)備和少量的實驗操作，非常適用于校準(zhǔn)其他偏振測量工具，也可應(yīng)用于光刻這一技術(shù)領(lǐng)域。

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Polarizationmeasurementwithpolarizeronly

BAI Yun-feng, YAN Zhao-yu, PU He-li

(School of Electronics and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

Polarization measurement with polarizer only is presented. Compared with the traditional polarization measurements, this method needs less equipment and can measure the polarization state and polarization distribute of plane wave. Through rotating one polarizer it can measure all kinds of polarization state, except circularly polarized light and natural light. Another low extinction coefficient polarizer is set before the first polarizer, then the circularly polarized light converts to elliptically polarized light, and natural light converts to partially polarized light. Therefore these two exceptions can be distinguished. This method is very applicable in lithography system with less cost and more accuracy and practicability.

polarization;polarizer;partial polarized light

2013-06-24

黑龍江省教育廳資助項目(12531531)

白云峰(1982-),男，講師，博士，研究方向：稀土發(fā)光材料；光學(xué)檢測.

O439

A

1671-4679(2014)01-0064-03

郝麗英]