低损耗薄膜背散仪的s、p分量转换结构研究＊

汪桂霞

（西安工业大学 北方信息工程学院，陕西 西安 710032）

引 言

在用于激光陀螺高反射镜的背向散射测量的低损耗薄膜背散仪的设计过程中，由于背散射光比较弱，必须保证最大光强的激光入射到被检测表面，才能更好地测量被检测表面的背散射情况［1］。所以，低损耗薄膜背散仪在实现s、p偏振光的测量时必须考虑能量损耗问题。本文提出的s、p偏振光的测量方法就是在使能量损耗最小的要求下提出的。

1 低损耗薄膜背散仪原理

如图1所示，从He－Ne激光器G发出的激光束依次经过声光调制器S、水平反光镜V、λ／2波片B2和垂直高反镜C，入射到两面镜L上，从L出来的光分别经过s、p分量转换部件F进入积分球J，最后到达被检测表面Q，经被检测表面Q反射的光被陷光器E吸收，背散射光返回积分球J内部，由光电倍增管将背散射光信号转变为电信号，光电倍增管的输出信号送往锁相放大器，由计算机控制数据的读取，并且进行数据处理，从而可以得到被测表面的背散射情况。C、L、F和J，D组成的整体是可绕O－O轴转动的旋转架T。

图1 低损耗薄膜背散仪原理图Fig.1 Principle diagram of the low－loss instrument for measuring film

2 λ／4波片实现s、p分量转换方法

如图2，s、p分量转换部件F由起偏器P1、λ／4波片B3和检偏器P2组成。

图3中，N1、N2分别为P1和P2的透光轴方向，N1和N2的夹角为χ，D′和D″分别代表B3的快轴和慢轴方向，D′与N1的夹角为φ。设进入P1的光矢为E0，从P1出来的光矢为E′01，则有：

离开B3后，这两个分量的位相差为δ＝π／2，两单色波干涉的强度公式为：

由式（1）～式（3）可以得到［2－3］：

图2 λ／4波片原理Fig.2 Principle diagram of the wave plate

图3 偏振态测量实现原理图Fig.3 Principle diagram of measuring polarization

此时，调整装置，使N1沿x轴方向，并且φ＝45°，则从B3出射的光为圆偏振光，那么P2的透光轴方向N2沿x或z轴时，从P2出射的都为线偏振光［4］，当N2沿x轴时，实现s偏振态的测量，由式（4）得：

同理，当N2沿z轴时，实现p偏振态的测量，由式（4）得：

故s、p偏振态测量时的能量损耗I″均为：

3 λ／2波片实现s、p分量转换结构

图4为s、p分量转换部件F，由起偏器P1和λ／2波片B4组成。

由He－Ne激光器发出的光线通过起偏器成为线偏振光，再通过λ／2波片，并与波片的快轴成45°夹角，由于λ／2波片使光矢量方向转动两倍角，当线偏振光通过波片后光矢量向着快轴的方向会转过90°角，因为s、p偏振光是相互垂直的，所以λ／2波片转动45°可以实现s、p偏振光的转换。

把λ／4波片B3和检偏器P2换成λ／2波片B4，可以消除s、p偏振态测量时的能量损耗I″。在图5中，起偏器P1的透光轴N1沿x轴方向，B4的快轴D′4与x轴成45°。

图4 λ／2波片原理Fig.4 Principle diagram of the wave plate

从B4出来的光矢的振动方向与x成90°，即沿z轴方向。此时，实现p偏振态的测量，从P1出来的光矢为E′01，则从B4出射的光强Iout为：

当D′4逆时针旋转45°，即与z轴重合时，则从B4出来时，实现s偏振态的测量，同理有：

由式（8）可知，若把λ／4波片B3和检偏器P2换成λ／2波片B4，在实现s、p偏振态测量时就没有能量损耗［5］。

4 s、p分量转换部件调节结构设计

由上分析可知，在低损耗薄膜背散仪中，实现s、p偏振态的选择测量时，用到一个λ／2波片来实现，图6为实现s、p偏振态的选择测量的系统机械装配图，λ／2波片1放置于λ／2波片座2上，s、p转换杆4可以绕波片中心在波片s、p转换座3上45°范围内转动，5为转换座挡板，6为平端紧定螺钉M4×8，7为沉头螺钉M2.5×6，8为沉头螺钉M3×8。因为λ／2波片的快轴转动α角度，从λ／2波片出来的光线将转动2α角度。根据λ／2波片的这一特点，如果s、p转换杆4每转动45°，就可以实现s偏振态到p偏振态的转换，或者从p偏振态到s偏振态的转换。

图6 s、p偏振态转换装置图Fig.6 The conversion device of s，p polarization

5 结 论

低损耗薄膜背散仪在实现s、p偏振光的测量时，采用λ／2波片来实现s、p分量转换的方法，使得能量损耗为0，这完全符合低损耗薄膜背散仪的设计要求。

［1］吴军辉，龙兴武.自动测量超光滑表面微分散射的微分散射仪器［J］.激光与红外，1999，29（6）：347－349.

［2］玻恩 M，沃耳夫E.光学原理（上册）［M］.上海：科学出版社，1981：843－863.

［3］汪桂霞，徐昌杰，王青松.一种精确确定波片快慢轴方位的新方法［J］.激光与红外，2006，36（8）：699－702.

［4］任广军，李国华.偏光器件的Jones矩阵研究［J］.光学技术，2003，29（5）：578－580.

［5］汪桂霞，王青松，徐昌杰.低损耗薄膜背散仪的结构优化［J］.光学仪器，2010，32（4）：71－74.