帶分散補(bǔ)償?shù)钠馭agnac干涉儀通光效率研究

閆真真, 金施群, 邢金玉, 胡明勇

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 智能交通和信息安全研究院,安徽 合肥 230009)

帶分散補(bǔ)償?shù)钠馭agnac干涉儀通光效率研究

閆真真1, 金施群2, 邢金玉1, 胡明勇2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 智能交通和信息安全研究院,安徽 合肥 230009)

為測量帶分散補(bǔ)償?shù)钠馭agnac干涉儀(dispersion compensated polarization Sagnac interferometer,DCPSI)的通光效率,文章采用氦氖激光器作為光源,使用照度計(jì)測量氦氖激光通過DCPSI中各元件的光照值;提出了理論通光效率的公式,并計(jì)算得到理論通光效率為14.74%,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的通光效率(13.51%)接近,證明了該公式的可行性;分析了實(shí)驗(yàn)中存在的誤差,提出了提高通光效率的方法，該方法為研究人員選擇DCPSI各元件提供了一定的參考。

帶分散補(bǔ)償?shù)钠馭agnac干涉儀(DCPSI);通光效率;光強(qiáng)值;照度計(jì);亮度

干涉成像光譜儀有基于邁克爾遜干涉儀的時(shí)間調(diào)制型和基于橫向剪切干涉儀的空間調(diào)制型2類。Sagnac干涉儀為空間調(diào)制型,能夠獲取任一波長的光譜強(qiáng)度信息,具有很強(qiáng)的航天適用性。Sagnac干涉儀具有的橫向剪切性質(zhì)可以把一個(gè)實(shí)體光源橫向剪切成2個(gè)孿生虛光源,實(shí)體光源可以位于有限距離也可以位于無窮遠(yuǎn)[1-4]。帶分散補(bǔ)償?shù)钠馭agnac干涉儀(dispersion compensated polarization Sagnac interferometer,DCPSI)是以Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)和原理為基礎(chǔ),用線柵偏振分光鏡(wire grid polarization beam splitter,WGBS)代替其中的分光片(beam splitter,BS),構(gòu)成偏振Sagnac干涉儀結(jié)構(gòu);將準(zhǔn)單色光場景偏振信息調(diào)制在所得到的干涉條紋中,為了適應(yīng)包含多個(gè)波段的白光場景,在兩臂中各加入1個(gè)透射式閃耀光柵,構(gòu)成DCPSI結(jié)構(gòu)；將白光場景偏振信息調(diào)制在所得到的干涉條紋中,DCPSI結(jié)構(gòu)能同時(shí)獲取一副白光場景4個(gè)Stokes參量中的任意3個(gè),并且在一定波段內(nèi)對波長不敏感[5-10]。

在相機(jī)采集圖片時(shí),光的強(qiáng)度對照片質(zhì)量有極大的影響,光的強(qiáng)度越大,相機(jī)采集的照片越清晰。在DCPSI結(jié)構(gòu)中,要采集圖樣接收元件FPA上的干涉圖片研究干涉效應(yīng),需要提高通過DCPSI后的光強(qiáng),而光強(qiáng)與DCPSI結(jié)構(gòu)的通光效率成正比。目前國際上有不少關(guān)于 DCPSI結(jié)構(gòu)的研究,但關(guān)于DCPSI結(jié)構(gòu)通光效率的研究很少,因此,具體量化DCPSI的通光效率對于該結(jié)構(gòu)中各元件的選取具有重要的指導(dǎo)意義。

因?yàn)榧す饩哂泻玫姆较蛐?、?zhǔn)單色性和相干性,所以本文采用相干性好的氦氖激光作為光源。激光通過DCPSI結(jié)構(gòu)后在FPA上得到干涉光斑,為了提高光斑的亮度從而更好地觀察出干涉效果,需要減少激光通過DCPSI結(jié)構(gòu)后的損失,因此本文提出了計(jì)算DCPSI通光效率的公式,并計(jì)算得出DCPSI的理論通光效率;實(shí)驗(yàn)中通過照度計(jì)測量激光通過DCPSI中各元件后的實(shí)際光強(qiáng),計(jì)算得到的實(shí)際通光效率接近于理論通光效率,驗(yàn)證了該公式的可行性;最后，提出了提高結(jié)構(gòu)通光效率的方法,為DCPSI各元件的選取提供了一定的參考。

1 理論分析

1.1 DCPSI結(jié)構(gòu)

DCPSI結(jié)構(gòu)如圖1所示,由線柵偏振分光鏡WGBS、2個(gè)相同的閃耀光柵G1和G2、反射鏡M1和M2、檢偏鏡A、成像透鏡L和接收設(shè)備FPA構(gòu)成[11]。當(dāng)一束平行光I由x負(fù)半軸向x正半軸方向入射時(shí),光束在WGBS處被分開為振動(dòng)方向相互垂直的完全偏振光Ip1和Is1,設(shè)Is1偏振方向垂直于紙面,Ip1偏振方向平行于紙面。Is1透過G2后經(jīng)M2反射后到達(dá)M1,再經(jīng)M1反射透過G1到達(dá)WGBS,因?yàn)镮s1只能被WGBS反射,所以反射后向z軸正方向射出;Ip1透過G1后經(jīng)M1反射后到達(dá)M2,再經(jīng)M2反射透過G2后到達(dá)WGBS,因?yàn)镮p1只能透射WGBS,所以透射后向z軸正方向射出;2束光在A處被極化為振動(dòng)方向相同或者相反的偏振光,經(jīng)成像透鏡L后成像在接收設(shè)備FPA上。在DCPSI中,從WGBS透過的光束經(jīng)過閃耀光柵G1后衍射到1級(jí)閃耀光譜上;當(dāng)散開的光線射到G2時(shí),原來由G1產(chǎn)生的衍射角會(huì)被消除。出射光線與光軸平行,但是光線間產(chǎn)生了正比于-λx0的距離(光線偏移-λx0的距離),其中x0為與DCPSI參量有關(guān)的常量。相反地,被WGBS反射的光束經(jīng)過G2后發(fā)生色散,經(jīng)過G1產(chǎn)生平行于光軸的出射光束,且光束偏移間距為+λx0。

圖1 DCPSI原理圖

1.2 各元件通光效率的分析

實(shí)驗(yàn)采用633 nm的氦氖激光。線柵偏振分光鏡WGBS的通光效率如圖2所示。其中,s偏振光是經(jīng)WGBS反射的光;p偏振光是經(jīng)WGBS透射的光。由圖2可知,在波長為633 nm處,s偏振光的反射率大約為88%,p偏振光的通光效率大約為89%。

圖2 WGBS反射光s和透射光p的通光效率

透射式閃耀光柵G的通光效率如圖3所示。由圖3可知,在波長為633 nm處,G的通光效率大約為80%。

平面鏡M的反射率如圖4所示。由圖4可知,在波長為633 nm處,M的反射率大約為93%。由實(shí)驗(yàn)還測得,偏振片A的通光效率大約為40%,凸透鏡S的通光效率大約為85%。

圖3 透射式閃耀光柵的通光效率

圖4 平面鏡反射率

1.3 DCPSI通光效率的理論分析

DCPSI結(jié)構(gòu)見圖1,光線穿過G1和G2后的衍射角計(jì)算公式為:

sinθ=mλ/d

(1)

其中,θ為光線正入射到光柵時(shí)的衍射角(從光柵的法線測量);m為衍射級(jí);d為光柵周期。因?yàn)閐一般情況下很大(≥30 μm),所以(1)式可以近似表示為:

θ=mλ/d

(2)

對第1級(jí)衍射光束而言,DCPSI可以產(chǎn)生正比于波長的剪切量。相位因子為:

(3)

(4)

其中,fobj為成像透鏡L的焦距。根據(jù)相位因子,FPA光強(qiáng)的表達(dá)式[11]為:

(5)

總光強(qiáng)分布是光柵最小級(jí)到最大級(jí)次的總和,因此可獲得的最大級(jí)次為(d/λ)sin(π/2)。S0′、S2′、S3′為被兩光柵衍射效率積分之后加權(quán)的Stokes參量,其表達(dá)式為:

(6)

(7)

(8)

其中,λ1和λ2為經(jīng)過系統(tǒng)的最小波長和最大波長；DE為衍射效率。

圖1中,Iin為光束I的總光強(qiáng)值;Is1、Is2、Is3、Is4、Is5、Is6分別為被WGBS反射的光通過各元件后的光強(qiáng)值;Ip1、Ip2、Ip3、Ip4、Ip5、Ip6分別為透過WGBS的光通過各個(gè)元件后的光強(qiáng)值;Iout為在干涉成像面上2束光的總強(qiáng)度之和。則DCPSI理論總通光效率為:

ηT=η1+η2

(9)

η1=ηpηG2ηM2ηM1ηG1ηpηAηL

(10)

η2=ηsηG1ηM1ηM2ηG2ηsηAηL

(11)

其中,ηT為總通光效率;ηs為WGBS反射光s的通光效率;ηp為透射光p的通光效率;ηG1、ηG2、ηM1、ηM2、ηA、ηL分別為G1、G2、M1、M2、A、L的通光效率。由上文可知,各元件的理論通光效率分別為ηs=88%,ηp=89%,ηG=80%,ηM=93%,ηA=40%,ηL=85%。由(9)式計(jì)算可得DCPSI的理論通光效率為:

ηT=14.74%

(12)

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用照度計(jì)測量激光通過各元件后的光強(qiáng)值。依次測得入射前的總光強(qiáng)值Iin、WGBS反射光強(qiáng)值Is1和透射光強(qiáng)值Ip1、透射G2的光強(qiáng)Is2、經(jīng)反光鏡M2反射的光強(qiáng)Is3,去掉G2、M2后加上G1測出Ip1的光強(qiáng),加上反光鏡M1測出Ip2,最后加上G2、M2后在像平面處測得經(jīng)過DCPSI的總光強(qiáng)值Iout。

在實(shí)驗(yàn)中對同一位置進(jìn)行12次等精度重復(fù)測量,處理數(shù)據(jù)時(shí)先將最大值與最小值按粗大誤差剔除;然后按照實(shí)驗(yàn)對比法、殘余誤差觀察法、殘余誤差校核法等[12]判斷是否存在系統(tǒng)誤差,通過判斷本次測得的8組數(shù)據(jù)內(nèi)無系統(tǒng)誤差;最后觀察每組剩余的10個(gè)測量值,可判斷出每組各個(gè)測量值都含有隨機(jī)誤差,用剩余10個(gè)測量值的平均值作為該點(diǎn)處的光強(qiáng)值。各個(gè)點(diǎn)處的光強(qiáng)值見表1所列。

由表1計(jì)算DCPSI各元件的實(shí)際通光效率為:

ηs=Is1/(Iin/2)=87.55%

(13)

ηp=Ip1/(Iin/2)=88.02%

(14)

ηG1=Ip2/Ip1=74.14%

(15)

ηG2=Is2/Is1=73.99%

(16)

ηM1=Ip3/Ip2=91.89%

(17)

ηM2=Is3/Is2=91.34%

(18)

實(shí)際總通光效率為：

ηR=Iout/Iin=13.51% (19)

各元件實(shí)際測得的通光效率與理論通光效率散點(diǎn)圖如圖5所示。圖5中,橫坐標(biāo)1～7對應(yīng)的散點(diǎn)值分別為WGBS反射光、WGBS透射光、G1、G2、M1、M2的通光效率以及總通光效率。

圖5 各元件理論與實(shí)際通光效率

由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中受環(huán)境中的自然光、各元件的磨損、干涉圖在其他級(jí)次的損失等因素的影響,導(dǎo)致實(shí)際通光效率略低于理論通光效率。

由上文分析可知,實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)存在隨機(jī)誤差。減小隨機(jī)誤差的方法如下:① 增加測量的次數(shù),測得的次數(shù)越多,隨機(jī)誤差的影響就越小;② 讀數(shù)據(jù)時(shí),需等到照度計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后再進(jìn)行讀取。

由(9)～(11)式可知,DCPSI結(jié)構(gòu)的總通光效率與各元件的通光效率成正比,因此,一方面可通過選擇通光效率高的元件來提高總通光效率;另一方面可以簡化DCPSI的結(jié)構(gòu),通過減少元件來提高總通光效率。

3 結(jié) 論

本文提出了計(jì)算DCPSI通光效率的公式,由該公式計(jì)算出DCPSI的理論通光效率;同時(shí)利用照度計(jì)測量DCPSI的光強(qiáng)度,得到通過DCPSI中各個(gè)元件前、后氦氖激光的強(qiáng)度值;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,實(shí)際通光效率接近于用公式計(jì)算的總通光效率,證明本文計(jì)算通光效率的公式是正確的。在實(shí)際應(yīng)用中,DCPSI總通光效率與最后所得的干涉圖樣亮度正相關(guān),因此,為了得到更好的干涉圖片,提高DCPSI的通光效率,需盡可能地提高DCPSI中各個(gè)元件的通光效率,并根據(jù)所選原件參數(shù)確定FPA參數(shù)。

[1] 趙葆常,楊建峰,薛彬,等.實(shí)體 Sagnac干涉儀的設(shè)計(jì)[J].光子學(xué)報(bào),2009,38(3):474-478.

[2] 周志良,付強(qiáng),相里斌,等.實(shí)體 Sagnac干涉儀的幾何參量計(jì)算[J].光子學(xué)報(bào),2009,38(3):689-693.

[3] 董瑛,相里斌,趙葆常.大孔徑靜態(tài)干涉成象光譜儀中的橫向剪切干涉儀[J].光子學(xué)報(bào),1999,28(11):991-995.

[4] 李宇波,張鵬,曾宇驍,等.基于電光調(diào)制器的全Stokes矢量的遙感測量[J].紅外與激光工程,2010,39(2):335-338.

[5] LUO H T,OKA K,DEHOOG E,et al.Compact and miniature snapshot imaging polarimeter[J].Applied Optics,2008,47(24):4413-4417.

[6] 程敏熙,何振江,黃佐華.分振幅法偏振光斯托克斯參量測量系統(tǒng)[J].光電工程,2008,35(5):93-97.

[7] 逯雪峰,白清蘭.基于成像光譜儀的Sagnac干涉儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué),2012,33(4):666-669.

[8] 陳立武,趙葆常,楊建峰,等.Sagnac棱鏡角公差與干涉光譜儀光譜分辨率的關(guān)系分析[J].光子學(xué)報(bào),2006,35(7):1022-1027.

[9] KUDENOV M W,ESCUTI M J,DERENIAK E L,et al.White-light channeled imaging polarimeter using broadband polarization gratings[J].Applied Optics,2011,50(15):2283-2293.

[10] 方帥,夏秀山,趙玉坤,等.利用偏振分析的霧天圖像復(fù)原[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,38(4):468-473.

[11] KUDENOV M W,JUNGWIRTH M E,DERENIAK E L,et al.White light Sagnac interferometer for snapshot linear polarimetric imaging[J].Optics Express,2009,17(25):22520-22534.

[12] 費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].6版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2012:33-44.

ResearchonlightefficiencyofdispersioncompensatedpolarizationSagnacinterferometer

YAN Zhenzhen1, JIN Shiqun2, XING Jinyu1, HU Mingyong2

(1.School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Institute of Intelligent Transportation and Information Security, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Taking the He-Ne laser as the light source of the dispersion compensated polarization Sagnac interferometer(DCPSI), the light value of each element of the DCPSI is measured by using a light meter for measuring its light transmission efficiency. A theoretical calculation formula is proposed, and the light efficiency(13.51%) obtained by the experiment shows great agreement with that by the theoretical prediction(14.74%), which proves the feasibility of the formula. The error in the experiment is analyzed and the method to improve the light efficiency is given. It can provide a reference for the researchers in choosing the DCPSI elements.

dispersion compensated polarization Sagnac interferometer(DCPSI); light efficiency; light intensity; light meter; brightness

2016-02-26；

2016-04-18

科技部重大儀器專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013YQ220749)

閆真真(1991-),女,河南許昌人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

金施群(1962-),女,安徽黃山人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師,通訊作者,E-mail:shq-king@163.com;

胡明勇(1976-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.005

TH744.3

A

1003-5060(2017)09-1172-04

(責(zé)任編輯 胡亞敏)