宽带复合波片优化设计与性能表征方法及其应用研究

摘要

双折射波片是一种十分重要的偏振光学元件，能够使偏振光的两个垂直分量之间产生一定的相位延迟差，从而改变偏振光的偏振态。复合波片是由多个单波片按照光轴成不同夹角组合而成，能够补偿由波长、入射角、温度等变化导致的光学特性的偏差。复合波片同其他偏振器件配合可实现偏振光的改性、调制和检测等，广泛应用于偏振测量、光学成像、激光技术、光学通信等领域。复合波片的偏振光学特性可以用相位延迟量、光轴方位角、旋光角和快慢轴透过率幅值比等特征参数表征，这些光学特性对光学系统的适用光谱范围、测量精度等性能有极大的影响。复合波片的特征参数由各单波片的制作材料、厚度、光轴方位等结构特性和入射光的波长、入射角、温度等应用环境因素决定。因此，研究复合波片优化设计方法、光学特性测量表征、误差分析与校准及其在相关光学系统中的应用等，对提高复合波片偏振光学性能，进而提高相关光学系统的性能具有十分重要的意义。
　　鉴于此，本学位论文围绕复合波片的优化设计、特征参数表征、光轴对准及残余光轴对准误差校准、以及在宽光谱穆勒矩阵椭偏测量系统中的应用等方面开展研究，主要研究工作和创新点包括：
　　基于琼斯等效理论建立了复合波片等效模型，将任意复合波片等效为一个线相位延迟器和一个旋光器（圆相位延迟器）组成的级联系统。在此基础上，提出了GCW宽带消色差复合波片优化设计方法。相比传统波片设计，GCW波片具有更一般的结构，各单波片的中心波长和光轴方位角均为待优化参数，为优化设计提供了更多自由度，从而可以设计出适用更宽波段范围、相位延迟量消色差效果更好的宽带消色差复合波片。
　　基于光波传输理论推导了复合波片视场效应理论，给出了复合波片在任意入射角和方位角下的相位延迟量表达式。在此基础上，提出了宽视场角复合波片的优化设计方法，将正性和负性双折射材料波片组合，用以抵消视场效应带来的相位延迟量偏差；利用有效折射率随入射角变化速率，快速、可靠地计算宽视场角复合波片的设计初值，保证优化设计过程的可靠性和可重复性。
　　提出了基于穆勒矩阵椭偏仪的复合波片特征参数测量表征方法。定义了复合波片各偏振特征参数，基于穆勒矩阵拓展了复合波片等效理论，推导了复合波片特征参数与穆勒矩阵元素之间的表达式。实验表明，相比于现有技术，该方法能够在一次测量中表征出任意复合波片的全部偏振特征参数光谱，包括相位延迟量、光轴方位角、旋光角和快慢轴透过率幅值比。
　　提出了基于复合波片特征参数光谱波动的复合波片光轴对准及残余光轴对准误差校准方法。建立了复合波片特征参数与光轴对准误差之间的理论解析模型，分析了复合波片特征参数光谱波动特性以及不同特征参数光谱波动对复合波片光轴对准误差的灵敏度。实验表明，相比于现有技术，该方法能将光轴对准精度提高近一个量级，并且能够实现光轴对准精度和残余光轴对准误差的定量评估与校准。
　　提出基于GCW复合波片的宽光谱穆勒矩阵椭偏测量系统设计方法。研究了基于GCW复合波片的穆勒矩阵椭偏仪测量系统的系统测量和系统校准等工作原理及其系统优化设计方法。在此基础上，组建了适用波段范围为200-1000nm的基于GCW复合波片的宽光谱穆勒矩阵椭偏仪实验平台，验证了所提穆勒矩阵椭偏仪工作原理和优化设计方法的正确性和有效性，并为本文其他相关内容提供了实验验证平台。

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1 绪论

1.1 课题概述

1.2 复合波片相关领域研究现状及发展趋势

1.3 本文主要研究工作

2 复合波片优化设计方法

2.1 引言

2.2 复合波片基础理论

2.3 复合波片优化设计方法

2.4 复合波片优化设计实例

2.5 本章小结

3 复合波片特征参数表征方法

3.1 引言

3.2 复合波片等效理论的穆勒矩阵表示形式

3.3 基于穆勒矩阵的复合波片特征参数表征方法

3.4 复合波片特征参数表征实验研究

3.5 本章小结

4 复合波片光轴对准方法

4.1 引言

4.2 复合波片特征参数光谱波动特性

4.3 复合波片光轴对准方法及装置

4.4 复合波片残余光轴对准误差校准方法

4.5 本章小结

5 复合波片在宽光谱穆勒矩阵椭偏仪中的应用

5.1 引言

5.2 基于复合波片的穆勒矩阵椭偏仪工作原理

5.3 基于GCW复合波片的宽光谱穆勒矩阵椭偏仪优化设计

5.4 基于GCW复合波片的宽光谱穆勒矩阵椭偏仪实验平台

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录1 攻读学位期间发表的学术论文

附录2 攻读学位期间申请的发明专利

附录3攻读学位期间学术交流经历和所获奖励