摘要:分振幅光偏振測量儀(DOAP)是高速測量光偏振的傳感器,它利用振幅分割原理,能夠同時近似實時地測量出描述光偏振態的所有4個Stokes參數。從裝置結構、定標方法、工作波長和應用領域等方面,對最近20年多年來國內外在該領域的研究狀況進行了較為詳細的分析和總結,并指出了該技術的發展方向。

　　1　引　言

　　光波的偏振態是豐富的信息來源,輻射光、反射光、透射光和散射光的偏振態承載著大量的寶貴信息,對它們的測量具有十分重要的意義。偏振測量術和橢偏測量術已經廣泛地應用在物理、化學、光學、電子、金屬、生物和醫學等領域。測量光偏振的方法也在不斷發展。常用的測量方法是使待測光通過一系列隨時間周期性調制(機械轉動或相位延遲)的光學元件,由光電探測器測量透射光的光強,對探測器輸出電信號作傅里葉分析,得出描述待測光波偏振態的Stokes參數。旋轉檢偏器橢偏儀(RAE)和偏振調制橢偏儀(PME)[1]就利用上述原理。

　　但是,當待測的光偏振態變化非常快時(如研究樣品表面發生快速變化的物理化學反應),由于轉動元件或調制器的存在影響了偏振態的測量速度,上述測量方法就無法滿足需求。新型偏振測量儀器的出現滿足了快速測量光偏振的需求。目前已有兩種類型的多信號通道快速測量光波偏振的方法:一種是利用分波前方式,另一種是利用分振幅方式。1982年,Azzam設計了第一臺利用振幅分割方式測量光偏振的儀器[2]。分振幅光偏振測量儀(DOAP)沒有轉動部件和調制器,能夠同時近似實時地測量光波所有4個Stokes參數。

　　20多年來,分振幅光偏振測量儀有了很大的發展。研究人員先后設計了10多種采用振幅分割原理測量光偏振的裝置,部分裝置已經應用于脈沖加熱測量材料熱物性[3,4]和在線測控金屬薄膜生長厚度[5]等領域。國外的一些廠商也已經推出多款商品化的DOAP。在我國目前尚未見到有關DOAP應用研究的報道。

　　本文將介紹DOAP的工作原理、研究現狀和發展方向。

　　2　DOAP的測量原理

　　2.1　理論基礎

　　2.1.1　光波Stokes表示

　　Stokes參數是常用的描述光波偏振態的數學方式。它不僅可以描述完全偏振光,也可以用來描述部分偏振光和非偏振光。以S0、S1、S2和S3表示的光波Stokes參數定義如下(假設光束沿著笛卡兒坐標系xyz的正z軸傳播):

　　S0給出光波的總光強;S1給出光波x方向線偏振分量與y方向線偏振分量的光強差;S2給出光波π/4方向線偏振分量與-π/4方向線偏振分量的光強差;S3表示光波右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量的光強差。習慣上,將4個Stokes參數組合成一個4×1階列矢量

T表示矩陣的轉置。此矢量稱為光波的Stokes矢量。

　　2.1.2　光學系統的Mueller矩陣

　　當用Stokes矢量研究光波通過光學系統后的偏振態時,系統的性質可用一個稱為Mueller矩陣的4×4矩陣表示。射出光波的Stokes矢量Sout等于光學系統的Mueller矩陣M乘以入射光波的Stokes矢量Si,即

　　2.2　原理分析

　　圖1是第一臺由Azzam提出的分振幅光偏振測量儀的原理圖[2]

　　如圖1所示,首先由鍍膜分光器BS將待測入射光分為反射部分r和透射部分t,再由渥拉斯頓棱鏡(或相同功能的偏振分光鏡/體)WP1和WP2分別將反射光和透射光各自分割為正交的兩束偏振光,然后由光電探測器Dm(m=1,2,3,4)測量出這4束光的光強,得到4路電信號im(m=1,2,3,4)。電信號im等于入射光4個Stokes參數的線性組合,即

稱為儀器矩陣。

　　選擇適宜的分光器BS,使投影矢量a1、a2、a3和a4線性無關,儀器矩陣A存在逆矩陣A-1。由式(6)有:

　　獲得儀器矩陣A后,就可以利用光電探測器輸出的電信號矢量,通過式(8)確定描述待測偏振態的全部4個Stokes參數。在實際應用中,儀器矩陣A是采用定標過程測得的。

　　2.3　DOAP定標

　　DOAP定標就是利用已知參數的偏振光測量得到儀器矩陣。常用的定標方法有:4點定標和Equa-tor-Poles定標。下面介紹4點定標的基本過程。利用偏振態發生器(能夠產生任意完全偏振態的裝置)產生4個線性無關的偏振態S1、S2、S3和S4,它們作用到DOAP上產生對應的電信號矢量I1、I2、I3和I4。根據式(6)有:

　　2.4　小結

　　綜上所述,DOAP的基本原理是采用振幅分割方式將入射光分為4束或者更多,用光電探測器將各光束的光強線性地轉換為電信號。選擇適宜的分光器件和分光光路,確保至少有4個探測器的輸出信號提供4個線性無關的入射光波Stokes矢量的投影。這樣,描述輸出電信號矢量與入射光波Stokes矢量之間關系的儀器矩陣是非奇異的,存在逆矩陣。定標得到儀器矩陣后,利用儀器矩陣和探測器輸出的電信號矢量就可以確定入射光的所有4個Stokes參數。

　　3　應用舉例

　　DOAP可廣泛地應用在偏振測量術、橢偏測量術和Mueller矩陣橢偏測量術中。下面介紹它在脈沖加熱測量材料熱物性實驗中的應用[3,4]。脈沖加熱測量材料熱物性技術的關鍵在于樣品真溫的測量。使用光學高溫計可以精確地測量樣品的輻射溫度,要想知道它的真溫還必須獲得樣品在光學高溫計操作波長上的法線光譜發射率。利用橢偏測量術可以測量材料的發射率。由于脈沖加熱實驗的持續時間非常短,傳統的橢偏儀無法滿足要求,使用DOAP就可以很好地解決這個問題。利用DOAP測量材料發射率的原理圖如圖2所示。

　　用偏振態發生器(PSG)產生與入射面成45°夾角的線偏振光,光線以入射角θi斜入射到樣品表面,用偏振態探測器(PSD)測出反射光的Stokes參數S0、S1、S2和S3。橢偏參數ψ和Δ由下列公式給出

　　根據基爾霍夫定律和能量守恒,得到不透明物體的法線光譜發射率ε⊥=1-ρ⊥。

　　4　研究現狀和發展方向

　　4.1　DOAP研究現狀

　　20多年來,科研人員在利用振幅分割方式實現光偏振的高速測量方面做了大量的工作,取得很大進展。下面從測量裝置、測量波長、定標方法等5個方面對DOAP的研究現狀進行描述。

　　4.1.1　測量裝置

　　根據DOAP的工作原理,選擇不同的分光器件和分光光路,目前已經研制成功了10多種類型的光偏振測量裝置。按照主要分光器件的不同,可分為以下幾類。

　　(1)鍍膜分光器型

　　1982年,Azzam研制出使用一個鍍膜分光器和兩個渥拉斯頓棱鏡實現分光的DOAP(圖1)。1999年,李力等人設計的光度式偏振測量系統[6]也采用了這種分光形式。

　　1992年,Schwiecker等人研制了圖3所示的DOAP[5],它是采用4個鍍膜分光器(BS)實現分光的。這種裝置已經應用在實時監控超薄金屬薄膜的加工。

　　(2) 4探測器型

　　1985年,Azzam設計出圖4所示的結構最簡單的DOAP———4探測器偏振測量儀[7]。它僅由4個硅光電探測器構成,沒有附加的光學元件。其中,探測器D1、D2和D3的表面部分鏡反射入射光,而D4表面全部吸收。

　　(3)普通光柵型

　　當入射面與光柵的柵格既不垂直也不平行時,產生的衍射光束成圓錐形。1992年,Azzam研制了圖5所示的利用光柵圓錐形衍射的光柵分振幅光偏振測量儀[8](G- DOAP)。

　　1993年,Azzam等人利用光柵的平面衍射研制了G-DOAP[9](圖6)。與圓錐形衍射G-DOAP相比,平面衍射G-DOAP的衍射光束在同一個平面內,儀器結構更加緊湊。

　　1996年,Cui和Azzam利用光柵的透射衍射和探測器陣列研制了16光束的G-DOAP[10](圖7)。

　　(4)特殊光柵型

　　1992年,Todorov和Nikolova研制了利用一個傳統光柵DG和一個特殊光柵PDG實現分光的光譜光偏振測量儀[11](圖8)。

　　(5)平行厚板型

　　當光線斜入射到一個一面鍍有不透明的、高反射率金屬膜的平行電介質厚板時,光線在板內多次反射,產生一系列平行的、等間隔光束。1996年,El-Saba和Azzam設計出利用平行厚板實現分光的DOAP[12](圖9)。1999年,他們又設計了紅外波段平行厚板DOAP[13]。

　　(6)其他類型

　　1998年,Compain和Drevillon提出了利用非鍍膜棱鏡實現分光的DOAP[14]。

　　1999年,El-Saba和Abushagu研制出用聲光器件分光的DOAP[15](圖10)。

　1999年,El-Saba和Abushagur設計了利用衍射光學器件(DOE)實現分光的DOAP[16](圖11)。

　　4.1.2　測量波長

　　研究人員不僅研制出工作在可見光波段的單一波長DOAP,也開發出幾種紅外波段的單一波長DOAP及多款測量連續光譜偏振的儀器———分振幅光譜偏振儀[17,18]。

　　4.1.3　定標方法

　　常用的定標方法有4點定標法和Equator-Poles定標法兩種[19]。

　　4.1.4　應用領域

　　DOAP已經在許多領域得到應用,如在脈沖加熱測量材料熱物性中,利用DOAP高速測量材料的法線光譜發射率;在金屬、半導體等加工業中,利用DOAP在線實時監控薄膜的厚度。

　　4.1.5　偏振態發生器

　　偏振態發生器(PSG)是指能夠產生各種線偏振、圓偏振和橢圓偏振態的裝置。它的主要作用是:

　　(1)產生定標時所需要的偏振態;(2)當DOAP應用

　　在橢偏測量術和MME時,PSG產生作為探針的偏振光[18]。目前有兩種常用的PSG:(1)由一個偏振片和一個延遲器構成,它們由電機控制,可以分別繞光軸旋轉;(2)由一對液晶相位延遲器構成,它們由精確的電壓控制。

　　4.1.6　DOAP商品化

　　國外的一些廠商,如美國的Gaertner科學公司和CRI(Containerless Research Inc.)公司,已經推出多款DOAP或基于DOAP的測量儀器。

　　4.2　DOAP的發展方向

　　筆者認為今后DOAP的發展方向是:(1)研制新型的分光器件[20,21]和設計結構更加緊湊的測量裝置;(2)擴展DOAP的測量波長,研制光譜范圍更寬的分振幅光譜光偏振測量儀;(3)提高測量裝置的自動化程度;(4)拓寬DOAP的應用領域;(5)提高DOAP的測量速度。

　　5　結束語

　　分振幅光偏振測量儀是一種快速測量光波偏振態的傳感器。它利用振幅分割方式實現多信號通道的同時檢測,沒有使用轉動元件和調制器,能夠同時近似實時地測量光波的全部4個Stokes參數。近年來,DOAP的研究已經取得很大進展,在半導體、金屬和光學工業等許多領域得到應用。它具有測量速度快、精度高和非破壞性等優勢,具有廣泛的應用前景。