旋转波片型偏振仪的测量误差分析

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偏振是除振幅、相位和波长(或频率)之外光的基本参数中的第四个重要参量。物体的外形轮廓、表面纹路、形态结构和理化特征等自身属性决定着物体反射光的偏振特性。因此,通过测量物体或目标的反射光的偏振特性,就可以获得其表面物理特性和特征。也正因为如此,偏振测量技术在光通信、偏振遥感和光学信息处理等领域有着广泛的应用。光偏振特性的高精度测量技术一直是国内外研究的热点。旋转波片型偏振仪是目前被广泛使用的偏振测量设备,当光通过旋转的四分之一波片和固定的线偏振片时,测量一系列旋转角度所对应的光强并进行数据处理,可实现对光的偏振参数如斯托克斯(Stokes)矢量、偏振度(DoP)、偏振角(AoP)和偏振椭率角(EoP)的测量。为进一步提升旋转波片型偏振仪的测量精度,对其测量误差进行系统地分析是一项必不可少的研究工作。基于对旋转波片型偏振仪的系统构成和测量原理的研究,本文对相关测量误差进行了分析,并提出了减少和消除相应测量误差的方案。论文主要研究内容和研究结果包括:(1)分析了旋转波片型偏振仪中所使用的四分之一波片和线偏振片引入的测量误差机理。四分之一波片的相位延迟量和线偏振片的消光比对待测光的波长敏感,从而引起了波片相位延迟量误差和线偏振片消光比误差的产生;在四分之一波片和线偏振片的安装过程中,不可避免地会产生波片的快轴方位角误差和线偏振片的方位角误差。据此,针对上述四种误差对偏振测量过程中探测到的光强值产生的影响,进行了进一步分析。(2)通过在解算待测光偏振参数的过程中引入四分之一波片的实际相位延迟量和线偏振片的实际消光比,提出了消除四分之一波片相位延迟量误差和线偏振片消光比误差的方法。对使用该方法前后的偏振参数的测量误差进行了仿真分析和对比,验证了该方法的有效性。(3)针对四分之一波片快轴方位角误差和线偏振片方位角误差对偏振参数测量结果的影响进行了仿真分析及实验验证。结果表明,若要将旋转波片型偏振仪的测量误差控制在1%以内,四分之一波片快轴方位角误差和线偏振片方位角误差应分别控制在[-0.15°,0.15°]和[-0.13°,0.13°]的范围内,该结论可以为四分之一波片和线偏振片的安装提供技术参考。
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