仅使用偏振片精确测量偏振态

白云峰，闫照宇，浦合力

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院 光电子研究所，黑龙江 哈尔滨 150050)

仅使用偏振片精确测量偏振态

白云峰，闫照宇，浦合力

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院 光电子研究所，黑龙江 哈尔滨 150050)

提出仅使用偏振片进行偏振态精确测量的方法，相对传统偏振态测量方法，本方法所需装置简单、操作简便，且不仅可以测量一束光的整体偏振态，还可以测量光束截面的偏振态分布。通过旋转1片偏振片，测量透射光强，测量除圆偏振光和自然光以外的任何种类偏振光。如需区分圆偏振光和自然光，则需增加1片非理想偏振片于第一片偏振片之前，此时圆偏振光经过非理想偏振片变成椭圆偏振光，而自然光变成部分偏振光，然后重复上诉方法即可区分椭圆偏振光和部分偏振光。这种测量偏振态的方法非常适用于光刻系统中，不仅节省光刻系统中偏振检测系统的成本，也提高检测精度和实用性。

偏振；偏振片；部分偏振光

研究对入射偏振光偏振态的检测已经很多年了，其中斯托克斯参数测量法是测量偏振态最常用的方法。它的测量过程就是多次调节偏振片的光轴和1/4波片，然后测量投射光的强度，从而计算出斯托克斯参数。但是由于1/4波片的限制，只能测量与1/4波片相对应的波长[1-5]。

另一个方法是对入射光分振幅测量入射光的斯托克斯参数，通过对入射光的分振幅把入射光分成四束光，每一束光对应一个光电探测器，4个光电探测器的输出能够反映入射光的斯托克斯矢量。然后通过仪器矩阵和输出信号计算出入射光的偏振态。但是这个方法依然把波长限制在很窄的范围内[6-10]。

传统的偏振片经常用来产生线性偏振光，并把线性偏振光从椭圆偏振光和部分偏振光中区分出来[1]。据知偏振片是不能用来区分椭圆偏振光和部分偏振光的,但是在本文中补充了这一点，仅仅应用偏振片来区分椭圆偏振光和部分偏振光。通过转动1片偏振片，测量出圆偏振光和自然光以外的偏振态。另一片偏振片放在第一片偏振片后面，然后圆偏振光和自然光就能够被区分开。

1 理 论

图1 通过旋转偏振片进行偏振测量

部分偏振光透过一个非理想的偏振片，其中出射光中振动方向沿透光轴出射光强为

(1)

式中：θ为传输轴和y轴的角度，I0为自然光强。

出射光中振动方向垂直于透光轴出射光强为

(2)

其中:n是消光系数。

式(1)与式(2)的加和就是部分偏振光通过偏振片的总光强

(3)

2 分析及讨论

如果Ex≠Ey且cosα≠ 0，通过旋转偏振片，可以得到足够多的等式计算Ex,Ey,α以及I0。当I0≠ 0时，入射光是部分偏振光，否则入射光是完全偏振光。

通过对式(3)的分析，当cosα=0时,依据式(3)不能分辨椭圆偏振光和部分偏振光。当Ex=Ey时，通过式(3)无法计算出Ex,Ey,α和I0值。

针对cosα=0的情况，旋转坐标系即可解决椭圆偏振光和部分偏振光的区分问题。如图2所示，坐标系的坐标轴方向是定义的，Ey-O-Ex坐标系和Ey′-O-Ex′坐标系中的α是不一样的，那么cosα值也不应为0。因此,只需要旋转坐标系后，重新依据式(3)来计算并区分椭圆偏振光和部分偏振光，且不用重复实验测量。

图2 坐标系旋转

即使这样，当Ex=Ey时，依旧不能区分圆偏振光和自然光。这时就需要添加另一个光学原件，一般来讲，波片是一个非常好的选择，它能改变α的值。但是存在一个问题，比如说，一个1/4波片只对应于波长为600 nm的光，同时也是波长为300 nm的光的半波片。圆偏振光和自然光通过半波片依旧无法区分开。

这时把目标转向消光系数较小的偏振片，当圆偏振光通过此种偏振片时会转变成椭圆偏振光，而自然光会转变成部分偏振光，就能区分圆偏振光和自然光了。

如图3所示，旋转1片偏振片就可以计算得到二极管激光器发出的光的偏振态，虚线是理论计算得出的图形，三角形的点是实验测得的数据，它们基本吻合。

图3 理论数据和实验数据光的偏振态

此外，如果使用CCD探测器采集光强，每一个CCD的像素都是相互独立的，通过分别计算这些像素的光强而得到对应光线的偏振态，就可以得到一个平面光的偏振态分布。

此种方法可以方便移植到激光相关设备中，进行激光的偏振态测量，比如光刻系统和光纤的相关研究等[12]。

3 结束语

本文主要研究了用偏振片来测量偏振态，实验简单、成本低，而且能够测量光的偏振分布。首先旋转1片偏振片然后测量输出光，根据式(3)计算得出Ex,Ey,α和I0的值。如果cosα=0，旋转坐标系后依据式(3)计算即可，而不用重新进行数据测量。当cosα= 0和Ex=Ey，那就意味着入射光是圆偏振光或者是自然光，这时需要另一个非理想的偏振片加到第一个偏振片的后面，此时圆偏振光就转变成椭圆偏振光，自然光就转变成部分偏振光，那么圆偏振光和自然光就可以区分开。这种偏振态测量方法只需要简单的设备和少量的实验操作，非常适用于校准其他偏振测量工具，也可应用于光刻这一技术领域。

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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

黑龙江省教育厅资助项目(12531531)

白云峰(1982-),男，讲师，博士，研究方向：稀土发光材料；光学检测.

O439

A

1671-4679(2014)01-0064-03

郝丽英]