偏振敏感材料和器件的全息偏振测量和成像方法研究

摘要

偏振是光的基本属性之一，用来描述振荡的电矢量的方向，是不同于光的强度和频率的光的另一类信息形式。光的偏振信息的检测不仅可以揭示光的不同偏振状态，也可以反映和揭示对偏振敏感的材料和介质的特性。光的偏振本质上就对光学各向异性敏感，可以用来反映结构的局部有序性，揭示材料的内部结构和组成，以及光的散射、发射和吸收等现象的本质属性。偏振也是波导、纳米加工及生物医学等工程中描述光与物质相互作用的重要参量。此外，对反映材料偏振响应参量的测量在揭示材料的双折射性质、表征光学器件复杂调制特性、发现光与物质相互作用的物理机制等方面都具有重要的意义。传统的基于强度的传感器无法探测光线的偏振信息，而且由于偏振固有的矢量特性，导致对同一个偏振信息通常需要进行多次测量，每次一般只能测量其中一个矢量分量。因此相对于频率和强度，光的偏振信息的测量要更复杂，而对于偏振敏感材料和器件偏振特性的测量则更加困难，目前对这类材料和器件偏振特性的高效、全面测量还是一个亟待解决的问题。
　　本论文针对偏振敏感材料和器件的全息偏振测量和成像方法开展理论和实验研究，主要研究内容如下：
　　1.综述了目前已有的偏振敏感材料偏振特性的测量方法。针对偏振敏感材料偏振特性两种描述形式（米勒矩阵和琼斯矩阵形式）的测量方法分别作了概述。对于琼斯矩阵的测量，根据测量方法的不同，分为基于强度的测量、基于强度和相位的测量以及基于数字全息的测量方法等几种类型，分别介绍了一些典型的测量方案；对于米勒矩阵的测量，主要介绍了基于旋转光学元件法、光弹性调制器法和液晶可变延迟器等三类测量方法。
　　2.对偏振的基本理论及偏振敏感介质偏振特性的描述进行了综述。介绍了偏振光的基本理论及常见的两种偏振光的矩阵描述形式：琼斯列矩阵和斯托克斯列矩阵；在此基础上，对偏振器件的矩阵形式及运算方法进行了描述；针对研究的内容，重点对一般偏振敏感材料偏振特性的描述方式进行了归纳，包括琼斯矩阵的描述方式和米勒矩阵的描述方式，并对两种描述方式的联系和区别进行了说明。
　　3.对点源照明下的离轴菲涅尔全息进行了理论分析和模拟计算。针对全息记录公式中物波项的分析结果表明：在点源照明下离轴菲涅尔全息图的物波项等于放大后的物体的菲涅尔衍射，并给出了衍射距离的计算公式；通过理论分析得到了全息图物波项和物波共轭项的频移量，并通过模拟计算讨论了点源间距、点源平面与物平面间距、以及物平面与记录面间距等参量对全息图再现的影响。
　　4.提出了一种基于双正交光栅和角分复用的四通道偏振全息成像的方法及测量系统。利用双正交光栅结合角分复用技术，实现了四通道偏振全息成像，基于该方法搭建的系统能够通过一步测量得到偏振敏感材料空间分辨的琼斯矩阵的全部复数参量。从理论上对该方法进行了分析，给出了利用四通道角分复用全息图复原偏振敏感材料琼斯矩阵参量的具体步骤和公式描述；利用计算机编程，对该方法的可行性进行了计算验证；通过实验系统的设计和建立，对复合波带板的琼斯矩阵进行了实验测量，得到了二维琼斯矩阵；基于测量得到的琼斯矩阵，模拟计算了测量样品对入射光的偏振响应，计算结果与实验测量结果基本一致。
　　5.提出了一种基于单模光纤的无透镜琼斯矩阵全息测量和成像系统。针对已有的偏振测量方法存在的需要多次调整偏振元件，或者使用复杂的光路系统实现一步测量的问题，提出了一种基于单模光纤的无透镜琼斯矩阵全息测量和成像系统，该系统基于光纤和无透镜离轴菲涅尔全息的原理进行设计，仅仅需要三个分光棱镜就能实现全息图的四通道角分复用，极大的减少了光学器件的数量。系统光路简单、易于调节且避免了透镜像差的影响。通过对复合偏振片琼斯矩阵的实验测量，验证了方案的可行性。作为对偏振测量的应用实例，分别测量给出了应力作用下PMMA样品、云母片样品和生物样品的琼斯矩阵参量，并通过计算得到的琼斯矩阵，进一步给出了样品沿不同主轴方向的特征值相位，以及与此相对应的偏振光经样品传播后在两主轴方向上产生的相位延迟。
　　6.对扭曲向列型液晶空间光调制器（TN-LCSLM）在全灰度阶下的琼斯矩阵复数参量进行了实验测量。提出利用基于双光源的离轴全息结合角分复用全息技术，实现TN-LCSLM全灰度二维琼斯矩阵一步测量的方法。首先对离轴全息中系统噪声和相位包裹产生的原因进行了分析；然后分析了TN-LCSLM不同的电压状态对琼斯矩阵测量的影响，提出了消除TN-LCSLM关态背景噪声的方法，并进行了详细的理论分析；最后通过实验测量得到了TN-LCSLM在0-255灰度阶的二维空间分辨的琼斯矩阵的全部复数参量；进一步利用测量得到的结果，分析了TN-LCSLM的透射特性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 偏振敏感介质的偏振特性

1.2 偏振敏感介质偏振特性的测量

1.3 本论文的主要研究内容

第二章 偏振的基本理论及偏振敏感介质偏振特性的描述

2.0 引言

2.1 偏振光的基本理论

2.2 偏振光的矩阵表示方式

2.3 偏振器件的表示方式及运算方法

2.4 偏振敏感材料及其偏振特性描述

2.5 小结

第三章 点源照明的离轴数字全息成像特性分析

3.0 引言

3.1 点源照明的离轴菲涅尔全息的记录

3.2 点源照明的离轴菲涅尔全息的再现

3.3 照明点源与参考光点源间的距离条件

3.4 模拟计算

3.5 小结

第四章 基于双正交光栅和角分复用的四通道偏振全息成像方法和系统

4.0 引言

4.1 角分复用离轴数字全息成像原理和特性

4.2 基于双正交光栅和角分复用的四通道偏振全息成像系统

4.3 基于双正交光栅和角分复用的四通道偏振全息成像方法的理论分析

4.4 模拟计算

4.5 实验装置及实验样品

4.6 实验结果与分析

4.7 小结

第五章 基于单模光纤的无透镜琼斯矩阵全息测量和成像系统

5.0 引言

5.1 实验光路与理论分析

5.2 模拟计算

5.3 实验装置及实验样品

5.4 实验结果

5.5 小结

第六章 扭曲向列型液晶空间光调制器的琼斯矩阵及其实验测量

6.0 引言

6.1 扭曲向列型液晶空间光调制器(TN-LCSLM)的基本结构

6.2 TN-LCSLM琼斯矩阵的实验测量

6.4 实验结果和分析

6.5 TN-LCSLM的透射特性分析

6.6 小结

第七章 总结与展望

7.1 本论文的主要结论

7.2 本论文的创新点

7.3 拟进一步开展的工作

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文与专利

致谢