道威棱鏡的偏振特性及偏振補(bǔ)償研究

馬迎軍，王　晶，洪永豐，張　葆*

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

?

道威棱鏡的偏振特性及偏振補(bǔ)償研究

馬迎軍1,2，王晶1，洪永豐1，張葆1*

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要：為了避免機(jī)載光電吊艙中共口徑光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部由于道威棱鏡旋轉(zhuǎn)引起的激光照射脈沖偏振態(tài)的變化，利用瓊斯矩陣對(duì)道威棱鏡的偏振特性與四分之一波片、半波片補(bǔ)償?shù)劳忡R旋轉(zhuǎn)引起的激光脈沖偏振態(tài)變化進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：線(xiàn)偏振的激光脈沖通過(guò)旋轉(zhuǎn)一定角度的道威棱鏡時(shí)，激光脈沖偏振態(tài)變?yōu)闄E圓偏振，偏振態(tài)發(fā)生變化；而激光脈沖首先通過(guò)旋轉(zhuǎn)一定角度的四分之一波片與半波片時(shí)，可使通過(guò)道威棱鏡系統(tǒng)的激光脈沖偏振態(tài)保持不變，且兩波片旋轉(zhuǎn)角度與道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度之間存在一種非線(xiàn)性關(guān)系。采用偏振補(bǔ)償方法可有效避免機(jī)載共口徑光學(xué)系統(tǒng)中道威棱鏡引起的激光脈沖偏振態(tài)變化，提高激光脈沖能量利用率，降低激光脈沖后向散射抑制難度。

關(guān)鍵詞:激光技術(shù)；偏振補(bǔ)償；瓊斯矩陣；道威棱鏡

Polarization properties and

polarization compensation of Dove prism

1引言

隨著科技的發(fā)展及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的需求，航空光電吊艙正朝著小型化、輕量化與多功能化的方向發(fā)展[1]。而光電吊艙中的可見(jiàn)光波段、紅外波段目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)與激光測(cè)距、角跟蹤系統(tǒng)的共口徑技術(shù)滿(mǎn)足光電吊艙的發(fā)展需求，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究，如美國(guó)F-35戰(zhàn)機(jī)中的EOTS(Electro-Optical Targeting System)系統(tǒng)[2]。

可見(jiàn)光波段、紅外波段與激光測(cè)距、跟蹤系統(tǒng)共用光電吊艙中同一個(gè)望遠(yuǎn)物鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的偵查、識(shí)別、定位于跟蹤，可以大大減小系統(tǒng)的體積與重量，減小系統(tǒng)成本，保證系統(tǒng)多譜段光路同軸性，提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、定位與跟蹤精度[3-6]。在實(shí)現(xiàn)三波段共口徑時(shí)，存在一些技術(shù)難題，如光電吊艙中的擺鏡系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)時(shí)，俯仰與方位角發(fā)生變化，致使可見(jiàn)光與紅外圖像會(huì)發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)[7]，為了便于人眼觀(guān)察與系統(tǒng)的定位跟蹤，系統(tǒng)中需加入旋像裝置。目前，旋像主要采用兩種方法：一種為基于圖像處里中的像素坐標(biāo)變換旋轉(zhuǎn)圖像，但此法旋轉(zhuǎn)后的圖像在顯示器上的尺寸會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)角度的不同而變化，不利于人眼觀(guān)察；另一種為在光路中加入旋像棱鏡旋轉(zhuǎn)一定角度，可使旋轉(zhuǎn)后的圖像在屏幕上得到穩(wěn)定顯示，利于人眼觀(guān)察。因此，在共光路位置加入道威棱鏡并旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，用于補(bǔ)償可見(jiàn)與紅外圖像的旋轉(zhuǎn)[8-10]；由于吊艙中的激光測(cè)距與角跟蹤系統(tǒng)亦采用共口徑設(shè)計(jì)，道威棱鏡的旋轉(zhuǎn)會(huì)改變激光器發(fā)出的激光脈沖線(xiàn)偏振態(tài)[11-13]，導(dǎo)致激光脈沖能量產(chǎn)生一部分的損失，并且改變共口徑系統(tǒng)中的激光后向散射噪聲的偏振態(tài)，使系統(tǒng)中后向散射噪聲的消除變得更加困難，甚至導(dǎo)致共口徑激光系統(tǒng)不能正常工作。

本文通過(guò)對(duì)道威棱鏡偏振特性的分析，提出采用旋轉(zhuǎn)半波片與四分之一波片的方法，對(duì)道威棱鏡旋轉(zhuǎn)引入的激光脈沖偏振態(tài)的變化進(jìn)行補(bǔ)償，使出射的激光脈沖仍為線(xiàn)偏振態(tài)，從而減少激光脈沖在偏振分光棱鏡處的能量損失，避免激光后向散射噪聲偏振態(tài)的變化，為消除后向散射噪聲提供便利條件。同時(shí)，本文可為機(jī)載光電吊艙中共口徑技術(shù)的研究提供一定的理論與技術(shù)支撐。

2原理

道威棱鏡位于共口徑系統(tǒng)的共光路位置，如圖1所示，分光鏡1與分光鏡2后分別為可見(jiàn)與紅外探測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)?shù)劳忡R旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，可對(duì)可見(jiàn)光與紅外輻射圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，補(bǔ)償擺鏡系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的影響。但由于道威棱鏡的偏振特性，改變激光發(fā)射脈沖的偏振態(tài)，導(dǎo)致在窗口處反射的后向散射脈沖偏振態(tài)發(fā)生變化，增加其抑制難度，故需對(duì)道威棱鏡的偏振特性進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1　道威棱鏡與共口徑系統(tǒng)位置關(guān)系Fig.1　Position relationship of Dove prism and common aperture system

道威棱鏡底角為45°，激光脈沖沿棱鏡底面入射時(shí)，發(fā)生兩次折射且在底面發(fā)生全反射，當(dāng)?shù)劳忡R沿光軸旋轉(zhuǎn)角度φ時(shí)，出射脈沖E2在x與y方向的分量E2x與E2y的相位延遲發(fā)生變化[9]，從而導(dǎo)致出射的激光脈沖由線(xiàn)偏振變?yōu)闄E圓偏振[14]，道威棱鏡偏振原理如圖2所示。以下將采用瓊斯矩陣對(duì)道威棱鏡的偏振特性與偏振補(bǔ)償進(jìn)行描述。

圖2　道威棱鏡偏振原理Fig.2　Polarization principle of Dove prism

2.1　道威棱鏡的偏振特性

激光器發(fā)出的激光脈沖E1為只含p分量的線(xiàn)偏振脈沖，入射到道威棱鏡后，激光脈沖在道威棱鏡表面發(fā)生折射與反射，道威棱鏡通光原理如圖3所示。當(dāng)只含p分量的激光脈沖入射到道威棱鏡時(shí)，由于道威棱鏡的旋轉(zhuǎn)，使激光脈沖的s、p分量在底面引入的相位差發(fā)生變化，故出射激光脈沖偏振態(tài)發(fā)生變化。

圖3　道威棱鏡通光原理Fig.3　Optical principle of Dove prism

設(shè)道威棱鏡的透射面Plane 1和Plane 2對(duì)s、p脈沖分量透過(guò)率為t1s、t1p和t2s與t2p，反射面Plane 3對(duì)s、p脈沖分量的反射率為r1s與r1p，只含p分量的入射脈沖為E1，道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度為φ，α1、α3為入射角，α2、α4為折射角，n1為空氣折射率，n2為道威棱鏡折射率，θ1脈沖在倒威棱鏡底面的入射角。則[15-16]：

(1)

(2)

(3)

式中，n=n1/n2。

取道威棱鏡的瓊斯矩陣Jdov，則有：

(4)

式中， jdov為道威棱鏡透射與反射矩陣，B(φ)為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，且有：

(5)

(6)

(7)

由式(7)得，道威棱鏡旋轉(zhuǎn)一定角度φ時(shí)，輸出脈沖E2的偏振態(tài)變化如圖4所示。由圖3可知，道威棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出脈沖E2的偏振態(tài)隨道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度φ變化而變化。

圖4　出射脈沖偏振態(tài)隨道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度的變化Fig.4　Changes of the output pulse polarization with the rotation angle of Dove prism

2.2　偏振補(bǔ)償

激光脈沖經(jīng)過(guò)處于共光路中的道威棱鏡時(shí)，偏振態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致激光脈沖通過(guò)偏振分光棱鏡時(shí)損失部分能量，而系統(tǒng)內(nèi)部激光后向散射脈沖與道威棱鏡輸出脈偏振態(tài)相同，故不利于系統(tǒng)內(nèi)部激光后向散射脈沖的抑制。因此采用1/4波片QW與半波片HW對(duì)出射道威棱鏡的激光脈沖偏振態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，使經(jīng)過(guò)道威棱鏡的激光脈沖偏振態(tài)不發(fā)生變化，仍為線(xiàn)偏振脈沖，補(bǔ)償原理如圖5所示。

圖5　偏振補(bǔ)償原理Fig.5　Principle of polarization compensation

只含s分量的線(xiàn)偏振脈沖E1通過(guò)1/4波片后，變?yōu)闄E圓偏振光E2，且1/4波片快軸轉(zhuǎn)過(guò)角度為θ；E2經(jīng)過(guò)半波片旋轉(zhuǎn)一定的角度后為橢圓偏振光E3，且旋向發(fā)生反轉(zhuǎn)，半波片快軸旋轉(zhuǎn)角度為β；E3通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度為φ的道威棱鏡后，變?yōu)橹缓瑂分量的脈沖E4，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)偏振激光脈沖的偏振補(bǔ)償。

取1/4波片與半波片的瓊斯矩陣分別為JQW與JHW，且有：

(8)

(9)

則輸出的激光脈沖E4為：

(10)

令式(10)中E4的p分量實(shí)部與虛部為0，解得滿(mǎn)足E4只含s分量時(shí)，對(duì)應(yīng)道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度φ，1/4波片與半波片的旋轉(zhuǎn)角度θ與β。當(dāng)?shù)劳忡R材料為BK7時(shí)，QW、HW與道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度θ、β與φ之間的補(bǔ)償關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。在理論計(jì)算中，當(dāng)波片與道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度θ、β與φ的誤差小于0.06″時(shí)，激光脈沖E4只含s分量；偏振補(bǔ)償后與偏振補(bǔ)償前，通過(guò)偏振分光棱鏡PBS的激光脈沖能量的變化曲線(xiàn)如圖7所示，由圖中可知，未偏振補(bǔ)償時(shí)，激光脈沖通過(guò)偏振分光棱鏡后，損失部分能量。

圖6　QW、HW與道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度間的補(bǔ)償曲線(xiàn)Fig.6　Compensation curve of the rotation angle between the QW, HW and Dove prism

圖7　偏振補(bǔ)償前后，通過(guò)偏振分光棱鏡激光脈沖能量變化曲線(xiàn)Fig.7　Output pulse energy at the polarizing beam splitter(PBS) with polarization compensated and uncompensated

當(dāng)用于偏振補(bǔ)償?shù)牟ㄆ凵渎蕦?duì)中心波長(zhǎng)λ存在誤差時(shí)，波片的相位延遲如式(11)所示

(11)

式中，ns與nf為波片慢軸與快軸的折射率，d為波片厚度。當(dāng)ns與nf存在誤差時(shí)，波片的相位延遲Δφ將發(fā)生變化，此波片對(duì)波長(zhǎng)為λ的脈沖將不為1/4波片或半波片，故線(xiàn)偏振脈沖通過(guò)波片時(shí)，偏振態(tài)變化將偏離理論結(jié)果[16]。當(dāng)波片旋轉(zhuǎn)角度存在誤差時(shí)，由式(10)可知，出射脈沖E4將變?yōu)闄E圓偏振態(tài)，而不是線(xiàn)偏振態(tài)。

3實(shí)驗(yàn)及分析

圖8　實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.8　Experiment set up

圖9　出射激光脈沖能量變化Fig.9　Changes of the output laser pulse energy at the Dove prism

由上述分析可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的出射脈沖s、p分量的能量規(guī)劃值與理論分析的變化趨勢(shì)一致，故線(xiàn)偏振的激光脈沖通過(guò)旋轉(zhuǎn)一定角度的道威棱鏡后偏振態(tài)發(fā)生變化，為橢圓偏振態(tài)；采用1/4波片與半波片旋轉(zhuǎn)一定的角度，可使出射道威棱鏡的激光脈沖偏振態(tài)保持不變，仍為只含s分量的線(xiàn)偏振激光脈沖；經(jīng)過(guò)波片的偏振補(bǔ)償后，可提高脈沖能量利用率。上述分析與實(shí)驗(yàn)，采用1/4波片與半波片將通過(guò)道威棱鏡的激光脈沖補(bǔ)償為線(xiàn)偏振脈沖，同時(shí)，當(dāng)?shù)劳忡R位于如圖1所示的共光路位置時(shí)，利用1/4波片與半波片可將到達(dá)偏振分光棱鏡處的后向散射脈沖偏振態(tài)補(bǔ)償為線(xiàn)偏振。

4結(jié)論

共口徑機(jī)載光電吊艙中的道威棱鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，將線(xiàn)偏振的激光照射脈沖偏振態(tài)變?yōu)闄E圓偏振，當(dāng)采用1/4波片與半波片進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，波片的旋轉(zhuǎn)角度與道威棱鏡旋轉(zhuǎn)角度存在一種非線(xiàn)性關(guān)系，可將出射道威棱鏡的激光脈沖偏振態(tài)補(bǔ)償為線(xiàn)偏振態(tài)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，道威棱鏡旋轉(zhuǎn)0°、30°、60°、90°、120°、150°等角度時(shí)，波片的偏振補(bǔ)償結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合。采用此補(bǔ)償方案，可以提高激光照射脈沖能量利用率，并可有效避免道威棱鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)后向散射脈沖偏振態(tài)的影響，為抑制共口徑系統(tǒng)內(nèi)的后向散射脈沖提供便利。同時(shí)，本文為機(jī)載光電吊艙中的可見(jiàn)、紅外系統(tǒng)與激光系統(tǒng)共口徑技術(shù)的研究提供一定的理論與技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃志立，李波，李奇.現(xiàn)代光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)[J].光機(jī)電信息，2011，28(3)：58-64.

HONG ZH L,LI B,LI Q. Modern Optical Targeting Systems[J].OMEInformation,2011,28(3):58-64.(in Chinese)

[2]AVIONICS J. Electro-Optical Targeting System(EOTS) for the F-35[N]. IHS Jane′s. Jane′s Avionics 2012.08.05

[3]陳希林，傅裕松，尉洵楷.機(jī)載光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].紅外技術(shù)，2004，26(2)：18-28.

CHEN X L,FU Y S,WEI X K. The status and development of airbrone electro-optics sighting system[J].InfraredTechnology,2004,26(2):18-28.(in Chinese)

[4]SAGAN S F. Single aperture coaxial three channel optical system:Lexington,MA(US).US,0021380 A1[P],2014-1-23.

[5]CHEN C W,IRVINE,ANDERSON S T J,etal.. Common-aperture optical system incorporating a light sensor and a light source.US,0186568 A1[P].2008-8-7.

[6]孫明超，劉晶紅，張葆.高幀頻圖像融合光學(xué)測(cè)量吊艙的設(shè)計(jì)[J].光學(xué) 精密工程，2013,21(1):94-100.

LIU M CH,LIU J H,ZHANG B. Design of measuring gondola syetem with high frame rate for image fusion[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(1):94-100.(in Chinese)

[7]HOUSAND B J,TENER G D,JESSE S J,etal.. Combined Laser or FLIR optics system.US 6359681 B1[P].2002-03-19.

[8]PAEK E G,CHOE J Y,OH T K，etal.. Nonmechanical image rotation with an acousto-optic dove prism[J].OpticsLetters,1997,22(15):1195-1197

[9]付棟之，賈俊亮，周英男，等.利用Sagnac干涉儀實(shí)現(xiàn)光子軌道角動(dòng)量分束器[J].物理學(xué)報(bào)，2015,64(13):130704-1-6.

FU D ZH,JIA J L,ZHOU Y N,etal.. Realisation of orbital angular momentum sorter of photons based on sagnac interferometer[J].ActaPhysicaSinica,2015,64(13):130704-1-130704-6.(in Chinese)

[10]惠剛陽(yáng)，楊海成，姜峰，等.潛望式瞄準(zhǔn)鏡中消像旋棱鏡的裝調(diào)工藝技術(shù)[J].應(yīng)用光學(xué)，2013,34(4):700-705.

HUI G Y,YANG H C,JIANG F,etal.. Alignment technology of offsetting image rotation prism in periscopic sight[J].J.AppliedOptics,2013,34(4):700-705.(in Chinese)

[11]MORENO I,PAEZ G,STROJNIK M. Polarization transforming properties of Dove prisms[J].OpticsCommunications,2003,2(20):257-268.

[12]PADGETT M J,LESSO J P. Dove prisms and polarized light[J].J.MordernOptics,999 46(2):75-179.

[13]MORENO I. Jones matrix for image-rotation prisms[J].AppliedOptics,2004,43(17):3373-3381.

[14]任樹(shù)鋒，王秀霞.線(xiàn)偏振光通過(guò)多個(gè)任意厚度波片的偏振態(tài)[J].激光技術(shù)，2014,38(3)：394-397.

REN SH F,WANG X X. Polarization states of linearly polarized light transmitting through several wave-plates with arbitrary thickness[J].LaserTechnology,2014,38(3)：394-397.(in Chinese)

[15]石順祥，王學(xué)恩，劉勁松.物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)[M].第二版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008:20-38.

SHI SH X,WANG X E,LIU J S.PhysicalOpticsandWaveOptics[M]. 2nd ed. Xian:Xidian University Press,2008:20-38.(in Chinese)

[16]梁銓廷.物理光學(xué)[M].第三版.北京：電子工業(yè)出版社 2011：31-36.

LIANG Q T.PhysicalOptics[M]. 3th ed. Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011：31-36.(in Chinese)

[17]侯俊峰，王東光，鄧元勇，等.斯托克斯橢偏儀的非線(xiàn)性最小二乘擬合偏振定標(biāo)[J].光學(xué) 精密工程，2013,21(8):1915-1922.

HOU J F,WANG D G,DENG Y Y,etal.. Nonlinear least-square fitting polarization calibration of Stokes ellipsometer[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(8):1915-1922.(in Chinese)

馬迎軍(1989—)，男，河北唐山人，碩士研究生，2013年于四川大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)、激光共口徑系統(tǒng)方面的研究。E-mail:yingjun_ma@163.com

張葆(1966—)，男，吉林磐石人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事航空光電成像技術(shù)方面的研究。E-mail：zhangb@ciomp.ac.cn

MA Ying-jun1,2, WANG Jing1, HONG Yong-feng1，ZHANG Bao1*

(1.ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,

ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;

2.UniversityofAcademyofSciences,Beijing100049,China)

*Correspondingauthor,E-mail：zhangb@ciomp.ac.cn

Abstract:In order to avoid the polarization changes of the irradiation laser pulse, caused by the rotation of Dove prism in the co-aperture optical system of airborne electro-optical pod, the polarization properties of the Dove prism and the compensation of the polarization changes of laser pulse are theoretically analyzed by Jones matrix, and they were also experimentally verified. In the compensation of polarization, a quarter-wave plate and a half wave plate are used. The results show that, when the linearly polarized laser pulse passes through the Dove prism that rotated an angle, the polarization state of the laser pulse becomes elliptically polarized. Obviously, the polarization state has changed. Moreover, when the laser pulse passes through a quarter-wave plate and a half wave plate that rotated a certain angle firstly, the output laser pulse polarization states at Dove prism system remain unchanged, and there is a nonlinear relationship between the two wave plates′ rotation angles and Dove prism′s rotation angle. Therefore, this polarization compensation method can effectively avoid the laser pulse polarization change caused by Dove prism rotation in co-aperture optical system of airborne electro-optical pod. Consequently, the utilization of the laser pulse energy is improved and the difficulty of suppressing the backscattering of laser pulse is decreased.

Key words:laser technique;polarization compensation;Jones matrix;Dove prism

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類(lèi)號(hào)：TN249; P161.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20160901.0137

文章編號(hào)2095-1531(2016)01-0137-07

基金項(xiàng)目：中科院長(zhǎng)春光機(jī)所重大創(chuàng)新資助項(xiàng)目(No.Y3CX1SS14C)

收稿日期:2015-09-11；

修訂日期:2015-11-13

Supported by Major Innovation Project of CIOMP, CAS(No.Y3CX1SS14C)