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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(shí)時地測量出描述光偏振態(tài)的所有4個Stokes參數(shù)。從裝置結(jié)構(gòu)、定標(biāo)方法、工作波長和應(yīng)用領(lǐng)域等方面,對最近20年多年來國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究狀況進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和總結(jié),并指出了該技術(shù)的發(fā)展方向。

　　1　引　言

　　光波的偏振態(tài)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(tài)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(shù)和橢偏測量術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在物理、化學(xué)、光學(xué)、電子、金屬、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。測量光偏振的方法也在不斷發(fā)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(diào)制(機(jī)械轉(zhuǎn)動或相位延遲)的光學(xué)元件,由光電探測器測量透射光的光強(qiáng),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(tài)的Stokes參數(shù)。旋轉(zhuǎn)檢偏器橢偏儀(RAE)和偏振調(diào)制橢偏儀(PME)[1]就利用上述原理。

　　但是,當(dāng)待測的光偏振態(tài)變化非?？鞎r(如研究樣品表面發(fā)生快速變化的物理化學(xué)反應(yīng)),由于轉(zhuǎn)動元件或調(diào)制器的存在影響了偏振態(tài)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(xiàn)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)動部件和調(diào)制器,能夠同時近似實(shí)時地測量光波所有4個Stokes參數(shù)。

　　20多年來,分振幅光偏振測量儀有了很大的發(fā)展。研究人員先后設(shè)計(jì)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(jīng)應(yīng)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(lǐng)域。國外的一些廠商也已經(jīng)推出多款商品化的DOAP。在我國目前尚未見到有關(guān)DOAP應(yīng)用研究的報(bào)道。

　　本文將介紹DOAP的工作原理、研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。

　　2　DOAP的測量原理

　　2.1　理論基礎(chǔ)

　　2.1.1　光波Stokes表示

　　Stokes參數(shù)是常用的描述光波偏振態(tài)的數(shù)學(xué)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(shù)定義如下(假設(shè)光束沿著笛卡兒坐標(biāo)系xyz的正z軸傳播):

　　S0給出光波的總光強(qiáng);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(qiáng)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(qiáng)差;S3表示光波右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量的光強(qiáng)差。習(xí)慣上,將4個Stokes參數(shù)組合成一個4×1階列矢量

T表示矩陣的轉(zhuǎn)置。此矢量稱為光波的Stokes矢量。

　　2.1.2　光學(xué)系統(tǒng)的Mueller矩陣

　　當(dāng)用Stokes矢量研究光波通過光學(xué)系統(tǒng)后的偏振態(tài)時,系統(tǒng)的性質(zhì)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(xué)系統(tǒng)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(qiáng),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(shù)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(guān),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(tài)的全部4個Stokes參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,儀器矩陣A是采用定標(biāo)過程測得的。

　　2.3　DOAP定標(biāo)

　　DOAP定標(biāo)就是利用已知參數(shù)的偏振光測量得到儀器矩陣。常用的定標(biāo)方法有:4點(diǎn)定標(biāo)和Equa-tor-Poles定標(biāo)。下面介紹4點(diǎn)定標(biāo)的基本過程。利用偏振態(tài)發(fā)生器(能夠產(chǎn)生任意完全偏振態(tài)的裝置)產(chǎn)生4個線性無關(guān)的偏振態(tài)S1、S2、S3和S4,它們作用到DOAP上產(chǎn)生對應(yīng)的電信號矢量I1、I2、I3和I4。根據(jù)式(6)有:

　　2.4　小結(jié)

　　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(qiáng)線性地轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)系的儀器矩陣是非奇異的,存在逆矩陣。定標(biāo)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(shù)。

　　3　應(yīng)用舉例

　　DOAP可廣泛地應(yīng)用在偏振測量術(shù)、橢偏測量術(shù)和Mueller矩陣橢偏測量術(shù)中。下面介紹它在脈沖加熱測量材料熱物性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[3,4]。脈沖加熱測量材料熱物性技術(shù)的關(guān)鍵在于樣品真溫的測量。使用光學(xué)高溫計(jì)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(xué)高溫計(jì)操作波長上的法線光譜發(fā)射率。利用橢偏測量術(shù)可以測量材料的發(fā)射率。由于脈沖加熱實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時間非常短,傳統(tǒng)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(fā)射率的原理圖如圖2所示。

　　用偏振態(tài)發(fā)生器(PSG)產(chǎn)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(tài)探測器(PSD)測出反射光的Stokes參數(shù)S0、S1、S2和S3。橢偏參數(shù)ψ和Δ由下列公式給出

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

　　4　研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向

　　4.1　DOAP研究現(xiàn)狀

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

　　4.1.1　測量裝置

　　根據(jù)DOAP的工作原理,選擇不同的分光器件和分光光路,目前已經(jīng)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(shí)現(xiàn)分光的DOAP(圖1)。1999年,李力等人設(shè)計(jì)的光度式偏振測量系統(tǒng)[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(shí)現(xiàn)分光的。這種裝置已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)時監(jiān)控超薄金屬薄膜的加工。

　　(2) 4探測器型

　　1985年,Azzam設(shè)計(jì)出圖4所示的結(jié)構(gòu)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(gòu)成,沒有附加的光學(xué)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(dāng)入射面與光柵的柵格既不垂直也不平行時,產(chǎn)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(nèi),儀器結(jié)構(gòu)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(tǒng)光柵DG和一個特殊光柵PDG實(shí)現(xiàn)分光的光譜光偏振測量儀[11](圖8)。

　　(5)平行厚板型

　　當(dāng)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(zhì)厚板時,光線在板內(nèi)多次反射,產(chǎn)生一系列平行的、等間隔光束。1996年,El-Saba和Azzam設(shè)計(jì)出利用平行厚板實(shí)現(xiàn)分光的DOAP[12](圖9)。1999年,他們又設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)了利用衍射光學(xué)器件(DOE)實(shí)現(xiàn)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(fā)出幾種紅外波段的單一波長DOAP及多款測量連續(xù)光譜偏振的儀器———分振幅光譜偏振儀[17,18]。

　　4.1.3　定標(biāo)方法

　　常用的定標(biāo)方法有4點(diǎn)定標(biāo)法和Equator-Poles定標(biāo)法兩種[19]。

　　4.1.4　應(yīng)用領(lǐng)域

　　DOAP已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到應(yīng)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(fā)射率;在金屬、半導(dǎo)體等加工業(yè)中,利用DOAP在線實(shí)時監(jiān)控薄膜的厚度。

　　4.1.5　偏振態(tài)發(fā)生器

　　偏振態(tài)發(fā)生器(PSG)是指能夠產(chǎn)生各種線偏振、圓偏振和橢圓偏振態(tài)的裝置。它的主要作用是:

　　(1)產(chǎn)生定標(biāo)時所需要的偏振態(tài);(2)當(dāng)DOAP應(yīng)用

　　在橢偏測量術(shù)和MME時,PSG產(chǎn)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(gòu)成,它們由電機(jī)控制,可以分別繞光軸旋轉(zhuǎn);(2)由一對液晶相位延遲器構(gòu)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(xué)公司和CRI(Containerless Research Inc.)公司,已經(jīng)推出多款DOAP或基于DOAP的測量儀器。

　　4.2　DOAP的發(fā)展方向

　　筆者認(rèn)為今后DOAP的發(fā)展方向是:(1)研制新型的分光器件[20,21]和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加緊湊的測量裝置;(2)擴(kuò)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(yīng)用領(lǐng)域;(5)提高DOAP的測量速度。

　　5　結(jié)束語

　　分振幅光偏振測量儀是一種快速測量光波偏振態(tài)的傳感器。它利用振幅分割方式實(shí)現(xiàn)多信號通道的同時檢測,沒有使用轉(zhuǎn)動元件和調(diào)制器,能夠同時近似實(shí)時地測量光波的全部4個Stokes參數(shù)。近年來,DOAP的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展,在半導(dǎo)體、金屬和光學(xué)工業(yè)等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。它具有測量速度快、精度高和非破壞性等優(yōu)勢,具有廣泛的應(yīng)用前景。