摘要：使用一个既能产生反射光衍射又能产生透射光衍射的特殊金属光栅作为分光器，研制一种新颖的高速光波偏振态测量系统。它没有使用转动光学部件或调制器，而是将金属光栅产生的四条1 级衍射光的光强线性地转换为电信号，通过定标方法得到系统的非奇异的仪器矩阵，然后通过线性运算得到入射光的待测 Stokes 矢量。该系统结构紧凑、安装方便，可用作实时偏振测量术和椭偏测量术中的偏振态探测器。
引 言
光偏振测量术已经广泛应用于电子、化工、生物、医药和材料等领域。在许多应用中光偏振态的测量是非常有意义的。由于传统测量光偏振的方法普遍存在转动部件或调制器，限制了它们在光波偏振态快速变化场合下(如跟踪材料表面发生快速的物理化学反应)的应用。1982 年，Azzam 首先提出了一种利用振幅分割方式实现多信号通道的高速测量光偏振的装置——分振幅光偏振仪(DOAP)[1-3]。它使用一个镀膜分光器和两块渥拉斯顿棱镜(或相同作用的偏振分光镜/体)将入射光分割为四束，用四个光电探测器分别将它们的光强转换为电信号，利用这些电信号和通过定标过程获得的仪器矩阵就可以确定待测的任意光偏振态。由于 DOAP 没有使用转动部件和调制器，所以它能够同时快速地测量出描述待测光偏振态的全部 Stokes 参数。
我们设计了一种既能够产生反射光衍射又能够产生透射光衍射的特殊金属光栅，根据 DOAP 的工作原理，将它作为主要的分光器件研制出一种高速测量光偏振态的传感器——光栅分振幅光偏振测量仪(G-DOAP)。
1 工作原理
用真空溅射的方法，在光学玻璃上溅射一层金属铬，然后在铬的表面上刻蚀出如图1 所示的金属光栅。它的有效面积 2cm×2cm，透光条和金属条的宽度均为 1.5μm。这种光栅既能产生反射光衍射又能产生透射光衍射，并且衍射级别相同的反射衍射光束和透射衍射光束的光强近似相等。
如图2 所示，入射光照射在金属光栅上，产生反射光衍射和透射光衍射，当入射面与光栅的栅格垂直时，衍射光束在一个平面内。我们用±1 级反射衍射和±1 透射衍射实现入射光偏振态的测量，用 m(m=0，1，2，3)来标识它们。四个光电探测器 Dm(m=0，1，2，3)分别将这四束光的光强线性地转换为电信号 im(m=0，1，2，3)，在每个探测器的前面放置一个方位角 Am(m=0，1，2，3)的起偏器。探测器输出的电信号 im等于入射光四个 Stokes 参数的线性组合，即
对于给定的波长，上面列出的条件很容易满足。获得仪器矩阵 A 后，根据公式(4)，利用四个探测器输出的电信号矢量就可以确定出描述入射光偏振的全部四个 Stokes 参数。在实际应用时，仪器矩阵 A 是采用定标的方法测量得到的。
2 测量装置
基于上述原理，我们研制出图3 所示的光栅分振幅光偏振测量系统(G-DOAP)。它主要由四个功能模块构成：(1)偏振态发生器(PSG)，产生定标或测试时所需要的偏振态，定标完成后可以去掉。(2)偏振态探测器(PSD)，将入射光分为四束，由四个光电探测器分别将各光束的光强转换为电信号。(3)信号处理模块。(4)计算机和数据采集器，将信号处理模块输出的电信号转换为数字信号，实现系统的数据采集和数据处理。
2.1 偏振态发生器(PSG)
在本系统中，PSG 主要由 He-Ne 激光器(632.8nm，<2mW)、起偏器和λ/4 波片(QWR)组成。起偏器和QWR 固定在精密码盘上，由步进电机带动可以分别绕光轴旋转。非偏振光经过理想的起偏器和 QWR 后，出射光的归一化 Stokes 矢量为
式中Sun为非偏振光的 Stokes 矢量;MP(θ)为方位角θ的起偏器的 Mueller 矩阵;MQWR(Q)为方向角 Q 的QWR 的 Mueller 矩阵。由公式(9)可知，通过分别调整起偏器的方位角 θ 和 QWR 的方位角 Q，PSG 可以产生任意的完全偏振态。
由于 He-Ne 激光器输出光源的偏振和 PSG 中光学元件存在缺陷，在旋转起偏器和 QWR 改变输出光偏振态的同时，也会改变输出光的光强。此外 He-Ne 激光器本身输出的光功率也随时间发生变化。为了减小以上因素对定标过程产生的影响，我们用一个分光片(普通的载波片)把入射光中的一部分能量反射到一个参考探测器 Dr上(入射角<5°)。由于光线对分光器的入射角很小，因此反射光与入射光的光强比是固定的(与偏振态无关)，分光器对透射光偏振态的影响可以忽略。在定标的时候，使用归一化的电信号矢量，即 I=[i0/ir，i1/ir，i2/ir，i3/ir]，确定系统的仪器矩阵，这样就消除了定标过程中的一个重要的误差来源。
2.2 偏振态探测器(PSD)
如图3 所示，偏振态探测器主要由金属光栅、起偏器、QWR 和光电探测器构成。四个光电探测器(5mm×5mm Si 光电池)将金属光栅产生的±1 级反射光衍射和±1 级透射光衍射的光强转换为电信号，在每个探测器的前面分别放置方位角为 0°、45°、90°和- 45°起偏器。为了提高系统对左旋和右旋圆偏振分量的区分度，在起偏器P3的前面又放置一个 QWR，它的快轴方向与P3透光轴的夹角是 45°。
利用该系统测量未知光偏振态时，待测光线与 PSD 对准是至关重要的。我们使用四象限 Si 光电池和金属光栅的 0 级透射衍射实现测量时的对准。用四象限探测器测量 0 级透射衍射，输出的电信号经调理电路后由 A/D 转换器转换为数字量送入计算机，利用计算机中的应用程序实现 PSD 与入射光线的精确对准。
2.3 信号处理模块
采用低噪声精密运算放大器(op37)设计信号调理电路，实现了电流-电压转换、放大和滤波等功能。
2.4 计算机和数据采集器
使用USB 接口的16 位高速数据采集卡将信号处理模块输出的模拟信号转换为数字信号，上传到计算机。在 PC 机上，利用 C++Builder6.0 开发 Windows 操作系统下的应用软件，实现了系统定标、对准和测量时的数据采集和数据处理。
3 定标和测试
3.1 定标
定标就是用已知参数的偏振光测量得到系统的仪器矩阵，对于每个测量工作波长只需定标一次，将得到的仪器矩阵存储起来，供测量时使用。常用的定标方法有四点定标法和 Equator-Poles 定标法[4，5]。
与四点定标法相比，Equator-Poles 定标法可以克服 PSG 中光学元件缺陷引起的误差。因此，我们采用Equator-Poles 法定标。
Equator-Poles 法定标的过程分为两步定标的第一步是使用线偏振光。移去 QWR，只使用起偏器，PSG 产生的线偏振光的归一化 Stokes 矢量为SP=[1 cos2θ sin2θ 0]T(T 表示矩阵的转置)。由公式(2)得到 PSD 输出电信号矢量 I 与起偏器方位角θ 的关系为
3.2 测试与分析
为了检验定标后的光偏振测量系统测量未知光偏振态的性能，我们选用 He-Ne 激光器作为光源，利用PSG 的如下测试：将 PSG 中的起偏器方位角固定为 0°，以 10°步长从 0°到 360°旋转 QWR，这将产生一系列的偏振态，由公式(9)得到 PSG 产生偏振态的归一化的 Stokes 参数为
测试结果如图4 所示，各圆点表示归一化 Stokes 参数 S1、S2和S3的测量值，连续实线是由公式(14)计算出的Stokes 参数的理论值。从上图可以看出，归一化的 Stokes 参数的测量值与预知的理想 PSG 产生的理论值吻合得相当好。测量值与理论值之间的最大偏差小于 7%，平均偏差小于 3%。笔者认为产生以上偏差的主要原因是：(1)PSG中光学元件的缺陷，特别是 QWR 的缺陷;(2)光束偏离误差;(3)光学元件方位角偏差;(4)光电探测器和信号调理电路的非线性。
4 结 论
利用特殊金属光栅的四束衍射光，我们研制出结构紧凑、易于安装、操作方便的光偏振测量系统。它利用振幅分割方式实现多信号通道的同时检测，能够同时近似实时地测量光波的全部四个 Stokes 参数，测量速度仅由光电探测器的响应时间和相关电路的处理速度决定。利用金属光栅的 0 级透射衍射实现了测量时的精确对准。该系统具有测量速度快、精度高和非破坏性等优势，对实时偏振测量术和实时椭偏测量术的研究和应用具有积极的作用。
参考文献：
[1] R. M. A. Azzam. Division-of-amplitude photopolarimeter (DOAP) for the simultaneous measurement of all four Stokesparameters of light[J]. Opt. Acta，1982，29(5)：685-689.
[2] R. M. A. Azzam. Optimal beam splitters for the division-of-amplitude photopolarimeter[J]. J. Opt. Soc. Am. (A)，2003，20(5)：955-958.
[3] R. M. A. Azzam，Faisal F. Sudradjat. Single-layer-coated beam splitters for the division- of-amplitude photopolarimeter[J]. J。Opt。 Soc. Am. (A)，2005，44(2)：190-196.
[4] R. M. A. Azzam. Arrangement of four photo-detectors for measuring the state of polarization of light[J]. Opt. Lett，1985，10(7)：309-311.
[5] R. M. A. Azzam，A. G. Lopez. Accurate calibration of the four-detector photopolarimeter with imperfect polarization opticalelements[J]. J. Opt. Soc. Am. (A)，1989，6(10)：1513-1521.
作者简介：杜西亮(1970-)，男(汉族)，黑龙江哈尔滨人，副教授，哈尔滨工业大学博士研究生，主要从事精密测量技术。E-mail: duxl2008@126、com
